(a) Rappresentazione schematica del dispositivo FET utilizzato in questo lavoro. (b) Schema schematico dell'interazione tra l'elettrone intrappolato e le vie di percolazione mediate dal campo MW (in alto). Eventi RTN multilivello registrati nella corrente FET misurata a 80 K (in basso). (c) Spettroscopia a microonde CW a banda larga della corrente del canale FET eseguita a 4,2 K. Ogni picco stretto è una risonanza separata che viene risolta in una forma Fano o Lorentziana a risoluzione più elevata (inserto). (d) Densità degli stati (rosso), istogrammi della variazione di ampiezza (blu) e dei tempi di coerenza (riquadro). Credito: Materiali della natura
I ricercatori del Tokyo Institute of Technology in collaborazione con l'Università di Cambridge hanno studiato l'interazione tra i campi a microonde e gli stati di difetto elettronico all'interno dello strato di ossido dei transistor ad effetto di campo a temperature criogeniche. È stato scoperto che la fisica di tali stati di difetto è coerente con i sistemi guidati a due livelli che possiedono lunghi tempi di coerenza, e che le loro dinamiche indotte possono essere controllate in modo coerente e indipendente.
Data la natura di questo lavoro, si spera che tali risultati contribuiranno al campo della dinamica vetrosa elettronica correlata nella fisica della materia condensata; fornire una migliore comprensione degli effetti del rumore di carica nei dispositivi mesoscopici; e consentire nuovi studi per lo sviluppo di nuove tecnologie nell'importante campo dell'elaborazione dell'informazione quantistica basata sui semiconduttori.
Gli stati di difetto che agiscono come trappole di elettroni nelle interfacce ossido-semiconduttore di solito sono fonti di rumore e tendono a ridurre le prestazioni dei dispositivi su scala nanometrica. Tali stati di difetto possono modificare l'ambiente elettrostatico sperimentato dalla conduzione di elettroni, costringendoli a percolarsi attraverso percorsi simili a nanofili a temperature sufficientemente basse. Ciò consente effettivamente un meccanismo di rilevamento dell'occupazione di tali siti di trappola da parte della corrente misurata nel canale di conduzione. Tale effetto è normalmente osservato come rumore telegrafico casuale (RTN), che corrisponde all'emissione incoerente e alla cattura di elettroni negli stati trappola, mediato dal fondo termico.
Motivato dai grandi cambiamenti nella conduttività causati dall'RTN nei transistor ad effetto di campo (FET), scienziati del Quantum Nanoelectronics Research Center, Istituto di Ricerca Innovativa (Tokyo Tech), il Center for Advanced Photonics and Electronics (Università di Cambridge), e il Cavendish Laboratory (Università di Cambridge) hanno studiato i possibili meccanismi in cui l'occupazione degli stati di difetto può essere osservata e mediata dinamicamente per mezzo di campi di microonde coerenti. Lavorando a temperature criogeniche, si è riscontrato che le dinamiche di tali stati trap sono coerenti con i sistemi a due livelli (TLS), in cui i livelli energetici sono discreti e solo i due più bassi sono accessibili all'interno dell'energia del segnale di eccitazione. Un TLS può rappresentare la base per un'implementazione di bit quantistici.
Dalla firma spettroscopica a microonde della risposta del FET utilizzato in questo lavoro, mostrando un gran numero di risonanze fattoriali di alta qualità (Q> 10.000), i tempi di coerenza estratti osservati in questo studio sono notevolmente più lunghi, di quasi tre ordini di grandezza, rispetto ad altre implementazioni di TLS basate su difetti. L'esecuzione di esperimenti a singolo impulso dà la possibilità di studiare la dinamica degli elettroni intrappolati, che si è scoperto non dipendono dalla chimica del dielettrico utilizzato. E usando un protocollo Ramsey standard, stato raggiunto un controllo coerente. Per di più, impiegando un'equazione principale ottica che cattura la dinamica degli elettroni intrappolati e un modello fisico basato sulla teoria della risposta lineare, è stato possibile riprodurre il comportamento sperimentale osservato negli esperimenti.
Per di più, si è riscontrato che gli stati difettosi sono relativamente ben protetti contro i fononi, spiegando i lunghi tempi di decoerenza misurati, e che la principale fonte di retroazione potrebbe essere correlata alle interazioni coulombiane a lungo raggio con altre cariche. Finalmente, poiché ogni risonanza può essere indirizzata indipendentemente nello spazio delle frequenze, l'ampia distribuzione dei lunghi tempi di coerenza osservati, e la densità quasi uniforme degli stati misurati, si spera che questo lavoro possa motivare la possibilità di utilizzare tali sistemi come memorie quantistiche o bit quantistici nelle future implementazioni di elaborazione delle informazioni quantistiche.
