Une étude, dont les résultats intitulés «Tunneling time probed by quantum shot noise» ont été publiés dans la revue Nature Communications, a permis, en démontrant le lien entre les fluctuations du courant électrique et les fluctuations du signal des photons qui sont émis par une jonction métallique quand elle est fortement polarisée, de mesurer pour la première fois le temps de passage des électrons au travers de la jonction qui est de l’ordre d’une femtoseconde.

Rappelons tout d'abord que «les jonctions métalliques sont des éléments majeurs de tout dispositif électronique intégré» et qu'une jonction métallique «se compose de deux conducteurs métalliques séparés par une fine couche nanométrique d’isolant». Grâce à l’effet tunnel, le courant électrique peut passer «au travers de la barrière d’isolant», en permettant «la délocalisation des électrons de part et d’autre de la jonction du fait de leur nature quantique».

Jusqu'ici, «le temps τ qu’il faut à un électron pour traverser ce type de jonction avait été évalué théoriquement à quelques femtosecondes (τ 10^-15 s) mais n’avait encore jamais été mesuré directement», car «regarder le courant à des fréquences optiques (ʋ 1⁄τ 1015 hertz) n’est pas possible directement».

Comme on savait «depuis plus de 40 ans que, lorsqu’elle est fortement polarisée, la jonction émet un rayonnement optique dans le domaine de l’infrarouge lié aux fluctuations de courant et aux interactions inélastiques des électrons tunnel», l'étude ici présentée a pu, pour la première fois, mesurer directement «par une approche réunissant les problématiques du transport électronique et de l’émission optique (plasmonique)», le «temps de passage tunnel des électrons au travers d’une jonction»: en l'occurrence, «pour une jonction Al/Al₂O₃/Al un temps de 1.1 femtoseconde» a été obtenu.

Plus précisément, pour parvenir à ce résultat, «le rayonnement émis en fonction de la tension aux bornes de la jonction» a été modélisé et ce modèle a été comparé à des mesures optiques, «démontrant ainsi précisément les mécanismes à l’origine de l’émission de photons infrarouges». De ce fait, la détection des photons est «équivalente à une mesure des fluctuations du courant à des fréquences optiques» et «permet de sonder le temps tunnel».

Concrètement, dans cette étude, ont été combinées «des mesures de fluctuations du courant électrique dans la gamme des radiofréquences (100 kilohertz) et des mesures de spectroscopie optique dans la gamme du proche infrarouge (entre 0.9 et 1.3 micromètres) pour des régimes de la jonction fortement polarisée (tension de l’ordre du volt)».

Ces mesures électriques «ont permis de caractériser finement le transport électronique, en particulier la transmission et les non-linéarités liées à l’effet tunnel, et de vérifier toutes les hypothèses nécessaires à une description théorique (description de Landauer-Buttikker) basée sur la diffusion cohérente d’ondes électroniques par la barrière tunnel».

De la sorte, les théories existantes ont pu être adaptées «pour généraliser le théorème 'fluctuation-dissipation' et tenir compte de la dépendance en énergie de la transmission de la barrière, responsable des non-linéarités de la jonction». Comme «les mesures optiques se sont révélées en très bon accord avec les prédictions théoriques basées sur le formalisme de Landauer- Buttikker» (*), «une description précise de la dépendance en tension de l’émission de photons par effet tunnel inélastique» a pu être faite.

Au bout du compte, «en faisant le lien entre les jonctions électriques et la plasmonique», cette étude ouvre des perspectives au contrôle électrique des plasmons (**), et par là à la génération d’états corrélés quantiques de plasmons de surface ainsi qu’à l’alternative plasmonique pour la photonique intégrée». De plus, l’accès à l’analyse «des fluctuations à la fois dans le domaine optique et microonde permettra d’aborder des questions fondamentales relatives à la théorie de la mesure en mécanique quantique».

Liens externes complémentaires (source Wikipedia)

(*) Landauer formula

(**) Plasmon