Desvelando el papel de las interacciones de Coulomb en las colisiones de electrones de alta energía

Un grupo de tres equipos de investigación, en el que ha participado el investigador del IFISC (UIB-CSIC) Sungguen Ryu, ha realizado experimentos pioneros que demuestran que los electrones de alta energía se repelen al colisionar en un divisor de haz debido a fuertes interacciones de Coulomb. Estos resultados muestran claramente la importancia de la interacción de Coulomb cuando se manipulan pocas excitaciones de electrones, a diferencia de lo que ocurre con los fotones. 

Los experimentos, publicados en la revista Nature nanotechnology, se enmarcan en el campo de la óptica cuántica electrónica y se centran en el transporte cuántico de alta frecuencia. Utilizando pulsos rápidos de tensión en el rango de los gigahercios, los investigadores pueden emitir electrones individuales en circuitos eléctricos a nanoescala y manipularlos mediante componentes electrónicos similares a los elementos ópticos. 

Estas excitaciones de electrones permiten una analogía electrónica del experimento de Hong-Ou-Mandel. En la versión original de los fotones (véase la Fig. a), éstos tienden a agruparse debido a su naturaleza bosónica. En el equivalente electrónico (ver Fig. b), los electrones se comportan como fermiones. Si el par de electrones en colisión fueran excitaciones de baja energía cerca del mar de Fermi, la interacción de Coulomb apantallada es despreciable y el par se dividiría en diferentes caminos debido al principio de exclusión de Pauli. Sin embargo, si el efecto de la interacción de Coulomb está presente, el destino del par de electrones en colisión se complica.  

En experimentos separados, los equipos de investigación emplearon distintas configuraciones, pero todos llegaron a la misma conclusión. Cuando se emiten electrones de alta energía por encima del mar de Fermi en un conductor eléctrico y llegan simultáneamente a cada lado de un divisor de haces de electrones, se repelen entre sí debido a las fuertes interacciones de Coulomb, no por el principio de exclusión de Pauli. Los experimentos consistieron en utilizar bombas de un solo electrón para emitir cargas en una estructura semiconductora que contenía un gas de electrones bidimensional. En presencia de un fuerte campo magnético, se formaron estados quirales a lo largo de los límites de la muestra, que actuaron como vías para los electrones emitidos. Los electrones fueron guiados a una región central, donde colisionaron a ambos lados de un divisor de haces de electrones. 

Estos tres experimentos demuestran colectivamente que las interacciones de Coulomb desempeñan un papel dominante en el efecto antibunching observado cuando los electrones de alta energía colisionan en un divisor de haz. Este descubrimiento tiene importantes implicaciones para el procesamiento de información cuántica con qubits electrónicos, ya que las interacciones controladas son vitales para la generación de entrelazamiento. A diferencia de los qubits fotónicos, que suelen presentar una interacción débil o nula, los qubits electrónicos pueden entrelazarse mediante las fuerzas de Coulomb reveladas en estos experimentos. Esto abre posibilidades para arquitecturas de dispositivos en los que los grados de libertad orbitales o de espín de los qubits electrónicos se entrelazan mediante interacciones de culombio controladas. 

Los avances experimentales representan un paso crucial en la manipulación de electrones individuales en conductores a nanoescala, permitiendo a los investigadores entrar en el régimen no lineal de la óptica cuántica electrónica. Aunque aún quedan retos por superar, estos tres experimentos ofrecen razones para ser optimistas respecto a nuevos avances en el campo de la óptica cuántica electrónica en el futuro.

Figura. Colisión de tipo Hong-Ou-Mandel de fotones (a) y electrones (b).Extraído de Brange, F., Flindt, C. Electrones en interacción colisionan en un divisor de haz. Nat. Nanotechnol. (2023).

Brange, F., Flindt, C. Interacting electrons collide at a beam splitter. Nat. Nanotechnol. (2023). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01389-0 

Fletcher, J.D., Park, W., Ryu, S. et al. Time-resolved Coulomb collision of single electrons. Nat. Nanotechnol. (2023). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01369-4