Schema di tomografia elettronica utilizzando una barriera modulata. a Una distribuzione di Wigner sconosciuta W(E, t) di una sorgente periodica di elettroni l'elettrone può essere filtrato utilizzando una barriera di energia a soglia lineare nel tempo posta ad altezza ET. La parte trasmessa e riflessa, etichettati PT e 1−PT danno luogo a correnti trasmesse e riflesse proporzionali. Una proiezione marginale di questa distribuzione nell'energia, il piano temporale può essere misurato fissando la velocità di rampa della barriera βE, che pone ET, quindi spostando il limite di soglia lungo l'asse S in incrementi dS, misurando le variazioni risultanti della corrente trasmessa. La ripetizione dell'esperimento a diverse velocità di rampa (che imposta l'angolo θ) fornisce informazioni sufficienti per una ricostruzione numerica della distribuzione. b Micrografia elettronica a scansione in falsi colori del dispositivo identico a quello misurato (vedi metodi per i dettagli). La pompa elettronica (a sinistra, evidenziato in verde) inietta la corrente della pompa Ip. La barriera (a destra, evidenziato in rosso) blocca selettivamente gli elettroni fornendo la corrente IT≤IP trasmessa. Il percorso tra questi è indicato con una linea. Le porte lungo il percorso (controllate da VG4) esauriscono il gas di elettroni sottostante ma non bloccano gli elettroni ad alta energia. c Tensioni di controllo tipiche dipendenti dal tempo per la pompa VG1 e la barriera sonda VG3 (ciascuna ha un offset CC, vedere metodi). d Potenziale elettronico U(x) lungo il percorso elettronico tra la sorgente e la barriera della sonda in tre fasi rappresentative per il pompaggio (a sinistra) e il blocco (a destra). Credito: Comunicazioni sulla natura
Scienziati del National Physical Laboratory (NPL), collaborando con l'Università della Lettonia, l'Università di Berlino, Università di Cambridge e University College di Londra, hanno sviluppato un metodo tomografico per visualizzare lo stato degli elettroni solitari emessi dalle pompe elettroniche.
Le pompe elettroniche sono dispositivi a semiconduttore che intrappolano ed emettono singoli elettroni "su richiesta". Il controllo dei singoli elettroni è una tecnica potenzialmente utile per future piattaforme di tecnologia quantistica, sostegno della metrologia elettrica di precisione, rilevamento ad alta velocità, e computazione/comunicazioni quantistiche.
Il nuovo metodo consente la mappatura della forma dell'elettrone nel piano energia-tempo e può rivelare lo stato quantistico dell'elettrone. Ciò aiuterebbe lo sviluppo di schemi di rilevamento quantistico o consentirebbe la codifica delle informazioni quantistiche sullo stato dell'elettrone.
Pompe a singolo elettrone:oltre il trasferimento di carica
Spesso è conveniente pensare all'elettricità come al flusso di un fluido continuo e ignorarne la granularità. Anche piccole correnti elettriche nell'intervallo dei microampere corrispondono a molti trilioni (1012) di elettroni al secondo e il movimento dei singoli elettroni spesso non è evidente. Tipicamente, l'intrinseca "grossolanità" dell'elettricità si rivela solo nella forma sgradita del rumore di fondo ("sparato") nei componenti elettronici.
Lo sviluppo di dispositivi su scala nanometrica in strutture di metallo/semiconduttore altamente ingegnerizzate ha consentito agli scienziati di assumere il controllo degli effetti dei singoli elettroni per scopi utili. I dispositivi a singolo elettrone possono essere utilizzati come sensori di campo elettrico, termometri criogenici, e come elementi costitutivi per alcuni tipi di "qubit".
La recente ridefinizione dell'ampere SI consente di utilizzare pompe a singolo elettrone come standard correnti primari, creando una corrente nota un elettrone alla volta.
Un altro uso di questa "sorgente di corrente definitiva" è iniettare singoli elettroni nella guida d'onda che può esistere lungo il bordo di un semiconduttore in un campo magnetico. Questi elettroni possono viaggiare per distanze molto lunghe (decine di micrometri) senza dispersione. Questo effetto fornisce una piattaforma che è spesso vagamente descritta come "ottica quantistica elettronica, " per analogia con i sistemi ottici il cui comportamento quantistico è ben esplorato. L'ampia motivazione per "scambiare fotoni con elettroni" è sviluppare infrastrutture di dispositivi quantistici a stato solido con possibili vantaggi di scalabilità e facilità di integrazione.
Una prima applicazione potrebbe essere il rilevamento di segnali dipendenti dal tempo con un'elevata larghezza di banda effettiva, sfruttando il fatto che i singoli elettroni balistici interagiscono con i componenti del circuito su scale temporali di picosecondi. Sebbene questa idea sia stata dimostrata da alcuni membri della stessa squadra in un lavoro precedente, le versioni quantistiche di questo effetto dovrebbero avere una maggiore sensibilità. Però, sfruttare gli effetti quantistici e ottenere un rilevamento ad alta risoluzione in presenza di interazioni potenzialmente complicate richiede il controllo e la lettura dello stato quantistico dei singoli elettroni. Questa domanda affrontata in questo nuovo lavoro è come sondare lo stato degli elettroni emessi dalla pompa.
Sonde energetiche selettive di elettroni
Nei dispositivi qui utilizzati, gli elettroni sono emessi con energia relativamente alta, circa 100 meV in più rispetto a qualsiasi altro elettrone nel sistema, viaggiando attraverso un canale dove altri elettroni sono stati esauriti.
Il ritardo tra ciascun elettrone (3,6 nanosecondi) è anche maggiore della distribuzione del tempo di arrivo di ciascun elettrone (lungo solo ~ 10 picosecondi), quindi ogni elettrone è in qualche modo isolato da qualsiasi altro elettrone di conduzione. Una conseguenza di questa natura solitaria è che qualsiasi sonda che richieda la presenza di altri elettroni, come altri ricercatori hanno usato per le sorgenti di elettroni a bassa energia, non è praticabile.
Invece questa squadra ha usato il controllo ad alta velocità di una barriera posta nel percorso degli elettroni. Questo è usato per bloccare selettivamente la trasmissione, misurando la probabilità di trasmissione attraverso la corrente trasmessa.
Ciò fornisce informazioni sufficienti per la mappatura tomografica dell'energia degli elettroni, distribuzione del tempo e una potente visualizzazione della forma elettronica in coordinate energia-tempo.
Avvicinandosi al limite quantistico
Le distribuzioni misurate sono state concentrate in una piccola forma di lente il cui angolo è fissato dalla velocità di espulsione degli elettroni. Questo dà un modo per modellare la distribuzione usando controlli sperimentali. Gli autori hanno anche considerato come sia possibile avvicinarsi alla sfocatura quantistica intrinseca (imposta dal principio di indeterminazione di Heisenberg) in questi dispositivi. La trasmissione quantistica degli elettroni consentirebbe lo sviluppo di dispositivi più sofisticati, come interferometri a elettroni caldi che potrebbero fungere da sensori. Mentre gli attuali esperimenti operano appena al di fuori di questo regime, le dinamiche impresse dell'espulsione di elettroni sono chiare, e il lavoro teorico suggerisce che le informazioni sullo stato quantistico dell'elettrone dovrebbero essere messe a fuoco in esperimenti futuri.
Jonathan Fletcher, Scienziato di ricerca superiore, National Physical Laboratory (NPL) dice, "Quando lavori sugli standard attuali puoi scherzare con le persone sul fatto che il tuo lavoro è contare gli elettroni. Ora stiamo ingrandendo lo stato quantico di questi elettroni, immagino sia più come se sentissimo la loro forma in qualche modo. Questo è importante perché è ciò che imposta la risoluzione nelle applicazioni di rilevamento, e ci parla della fattibilità dell'uso di questi elettroni in circuiti più sofisticati".
