L’équipe Circuits Quantiques Hybrides du Laboratoire Pierre Aigrain a publié en mai un article dans Nature sur l’observation du gel de la charge d’une résonance Kondo. En couplant des cavités micro-ondes de grande finesse avec des circuits de boîtes quantiques, elle a, pour la première fois, mis en évidence le gel de la dynamique de charge d’un système Kondo.
Ce travail ouvre une nouvelle voie pour l’étude de systèmes d’électrons fortement corrélés avec les outils de la physique atomique et la simulation quantique de systèmes de fermions-bosons.
L’étude du transport des électrons dans un métal ayant des impuretés magnétiques a permis dans les années 60 de mettre en lumière un problème générique en matière condensé qui est l’effet Kondo. Cet effet, paradigme pour les systèmes d’électrons fortement corrélés, peut être simulé aujourd’hui expérimentalement au niveau élémentaire, en utilisant des circuits électroniques comprenant une boîte quantique, qui joue le rôle d’une impureté magnétique. En couplant un tel circuit à une cavité micro-onde de grande finesse, l’équipe de physique mésoscopique en collaboration avec l’équipe de théorie du Laboratoire Pierre Aigrain a réussi à étudier la dynamique interne d’un gaz d’électrons fortement corrélés.
Plus précisément, la cavité micro-onde leur a permis de mesurer avec une sensibilité inégalée la compressibilité du gaz d’électron, c’est à dire sa capacité à accommoder des charges. La compressibilité décrit uniquement la réponse de charge du système, à la différence de la conductance, qui implique généralement d’autres degrés de liberté, comme par exemple le spin.
Le dispositif expérimental réalisé permet de mesurer simultanément la conductance et la compressibilité, contrairement aux expériences menées jusqu’à présent où les informations acquises provenaient essentiellement de mesures de transport électronique. De plus, l’avantage d’utiliser des circuits mésoscopiques avec une boîte quantique, réalisée ici en confinant des électrons dans un nanotube de carbone, est de pouvoir modifier in situ les paramètres du gaz et de pouvoir ainsi passer d’un gaz d’électron libre à un gaz d’électrons fortement corrélés, en ajustant simplement le couplage tunnel entre la boîte quantique et les électrodes du circuit.
Dans cette expérience publiée dans la revue Nature, les physiciens ont pour la première fois observé que la résonance Kondo visible dans la conductance n’apparaissait pas dans le signal micro-onde de la cavité, révélant ainsi le gel de la dynamique interne de charge dans le gaz d’électrons corrélés. Contrairement au gaz d’électrons libres qui décale toujours la fréquence de résonance de la cavité, le transfert d’électron par l’effet Kondo repose sur une charge gelée par les interactions coulombiennes et sur les corrélations dans le nuage électronique. Ce résultat a été reproduit par des calculs numériques menés par deux théoriciens de l’université de Kyung Hee et de Corée. Cette conductance finie induite par une charge ’gelée’ est une pierre angulaire du modèle Kondo mais n’avait jamais été observée jusqu’à maintenant. La sensibilité des cavités micro-onde de grande finesse et les outils de l’électrodynamique quantique en cavité pourraient être utilisés avec d’autres types de circuits mésoscopiques pour l’étude des corrélations à N-corps. Une telle architecture couplant des circuits mésoscopique et des cavités micro-ondes fournit une plateforme pour réaliser des simulations quantiques de problèmes de fermions-bosons.
Actualisation décembre 2017 :
le CNRS a consacré une actualité sur son site à cette découverte.
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