I ricercatori di KAIST hanno segnalato il rilevamento di un movimento di elettroni al picosecondo in un transistor al silicio. Questo studio ha presentato un nuovo protocollo per misurare la dinamica elettronica ultraveloce in un modo efficace risolta in tempo di risoluzione al picosecondo. Il rilevamento è stato effettuato in collaborazione con Nippon Telegraph e Telephone Corp. (NTT) in Giappone e National Physical Laboratory (NPL) nel Regno Unito ed è il primo rapporto al meglio delle nostre conoscenze.

Quando un elettrone viene catturato in una trappola su scala nanometrica nei solidi, la sua funzione d'onda meccanica quantistica può esibire oscillazioni spaziali a frequenze sub-terahertz. Il rilevamento risolta nel tempo di tali dinamiche in picosecondi delle onde quantistiche è importante, poiché il rilevamento fornisce un modo per comprendere il comportamento quantistico degli elettroni nella nanoelettronica. Si applica anche alle tecnologie dell'informazione quantistica come l'operazione ultraveloce a bit quantistico del calcolo quantistico e il rilevamento del campo elettromagnetico ad alta sensibilità. Però, rilevare la dinamica dei picosecondi è stata una sfida poiché la scala del sub-terahertz è ben oltre i più recenti strumenti di misurazione della larghezza di banda.

Un team KAIST guidato dal professor Heung-Sun Sim ha sviluppato una teoria della dinamica degli elettroni ultraveloci in una trappola su nanoscala, e ha proposto uno schema per rilevare la dinamica, che utilizza uno stato risonante quanto-meccanico formato accanto alla trappola. L'accoppiamento tra la dinamica dell'elettrone e lo stato risonante viene attivato e disattivato al picosecondo in modo che vengano lette informazioni sulla dinamica sulla corrente elettrica generata all'attivazione dell'accoppiamento.

NTT realizzato, insieme a NPL, lo schema di rilevamento e lo ha applicato ai movimenti degli elettroni in una trappola su nanoscala formata in un transistor al silicio. Un singolo elettrone è stato catturato nella trappola controllando le porte elettrostatiche, e uno stato di risonanza si è formato nella potenziale barriera della trappola.

L'accensione e lo spegnimento dell'accoppiamento tra l'elettrone e lo stato risonante è stato ottenuto allineando l'energia di risonanza con l'energia dell'elettrone entro un picosecondo. Una corrente elettrica dalla trappola attraverso lo stato risonante a un elettrodo è stata misurata a pochi gradi Kelvin, svelando l'oscillazione spaziale quanto-coerente dell'elettrone con frequenza di 250 GHz all'interno della trappola.

Il professor Sim ha detto, "Questo lavoro suggerisce uno schema per rilevare i movimenti degli elettroni in picosecondi su scale submicroniche utilizzando la risonanza quantistica. Sarà utile nel controllo dinamico delle onde elettroniche della meccanica quantistica per vari scopi nella nanoelettronica, rilevamento quantistico, e informazioni quantistiche".

Questo lavoro è stato pubblicato online su Nanotecnologia della natura il 4 novembre. È stato in parte sostenuto dalla Korea National Research Foundation attraverso il Centro SRC per la coerenza quantistica nella materia condensata.