Forskere udvikler tomografiske metoder til at visualisere tilstanden af ​​solitære elektroner

Forskere ved National Physical Laboratory (NPL), samarbejder med universitetet i Letland, universitetet i Berlin, Cambridge University og University College London, har udviklet en tomografisk metode til at visualisere tilstanden af ​​solitære elektroner udsendt fra elektronpumper.

Elektronpumper er halvlederenheder, der fanger og udsender enkelte elektroner 'on-demand'. Kontrol af enkelte elektroner er en potentielt nyttig teknik til fremtidige kvanteteknologiplatforme, understøtter præcision elektrisk metrologi, højhastighedsregistrering, og kvanteberegning/kommunikation.

Den nye metode muliggør kortlægning af elektronens form i energi-tidsplanet og kan afsløre elektronens kvantetilstand. Dette ville hjælpe med udviklingen af ​​kvanteregistreringsskemaer eller muliggøre kodning af kvanteinformation på elektrontilstanden.

Enkeltelektronpumper:ud over ladningsoverførsel

Det er ofte praktisk at tænke på elektricitet som strømmen af ​​en kontinuerlig væske og ignorere dens granularitet. Selv små elektriske strømme i mikroampere-området svarer til mange billioner (1012) elektroner i sekundet, og bevægelsen af ​​individuelle elektroner er ofte ikke synlig. Typisk, elektricitetens iboende "klumpighed" afslører sig kun i den uvelkomne form for baggrundsstøj ("skudt") i elektroniske komponenter.

Udviklingen af ​​enheder i nanometerskala i højkonstruerede metal/halvlederstrukturer har gjort det muligt for forskere at tage kontrol over enkeltelektroneffekter til nyttige formål. Enkeltelektronenheder kan bruges som sensorer for elektrisk felt, kryogene termometre, og som byggesten til visse slags "qubit".

Den nylige omdefinering af SI-amperen gør det muligt at bruge enkeltelektronpumper som primære strømstandarder, skabe en kendt strøm én elektron ad gangen.

En anden anvendelse af denne "ultimate strømkilde" er at injicere enkelte elektroner i bølgelederen, der kan eksistere langs kanten af ​​en halvleder i et magnetfelt. Disse elektroner kan rejse meget lange afstande (tivis af mikrometer) uden at sprede sig. Denne effekt giver en platform, der ofte løst beskrives som "elektronkvanteoptik, " i analogi med optiske systemer, hvis kvanteadfærd er godt udforsket. Den brede motivation for at "bytte fotoner til elektroner" er at udvikle solid-state kvanteenhedsinfrastrukturer med mulige fordele ved skalerbarhed og nem integration.

En tidlig anvendelse kunne være sansning af tidsafhængige signaler med en høj effektiv båndbredde, ved at bruge det faktum, at enkelte ballistiske elektroner interagerer med kredsløbskomponenter på picosekunders tidsskalaer. Mens denne idé er blevet demonstreret af nogle af det samme team i et tidligere arbejde, kvanteversioner af denne effekt forventes at have øget følsomhed. Imidlertid, udnyttelse af kvanteeffekter og opnåelse af høj opløsningssensing i nærvær af potentielt komplicerede interaktioner kræver kontrol og udlæsning af enkeltelektroners kvantetilstand. Dette spørgsmål behandlet i dette nye arbejde er, hvordan man undersøger tilstanden af ​​elektroner, der udsendes fra pumpen.

Energiselektive prober af elektroner

I de enheder, der bruges her, elektronerne udsendes med relativt høj energi, omkring 100 meV højere end nogen andre elektroner i systemet, rejser gennem en kanal, hvor andre elektroner er blevet udtømt.

Tidsforsinkelsen mellem hver elektron (3,6 nanosekunder) er også større end ankomsttidsfordelingen for hver elektron (kun ~10 picosekunder lang), så hver elektron er noget isoleret fra andre ledningselektroner. En konsekvens af denne ensomme natur er, at enhver sonde, der kræver tilstedeværelsen af ​​andre elektroner, som andre forskere har brugt til lavenergielektronkilder, er ikke levedygtigt.

I stedet brugte dette hold højhastighedskontrol af en barriere placeret i elektronernes vej. Dette bruges til selektivt at blokere transmission, mens man måler transmissionssandsynligheden via den transmitterede strøm.

Dette giver tilstrækkelig information til tomografisk kortlægning af elektronenergien, tidsfordeling og en kraftfuld visualisering af den elektroniske form i energi-tidskoordinater.

Nærmer sig kvantegrænsen

De målte fordelinger viste sig at være koncentreret til en lille linseform, hvis vinkel er indstillet af elektronudstødningshastighed. Dette giver en måde at forme fordelingen ved hjælp af eksperimentelle kontroller. Forfatterne overvejede også, hvor muligt det er at komme tæt på den iboende kvantefuzziness (pålagt af Heisenberg-usikkerhedsprincippet) i disse enheder. Kvantebegrænset transmission af elektronerne ville muliggøre udviklingen af ​​mere sofistikerede enheder, som varme elektroninterferometre, der kunne fungere som sensorer. Mens de nuværende eksperimenter fungerer lige uden for dette regime, den indprentede dynamik af elektronudstødning er tydelig, og teoretisk arbejde tyder på, at information om elektronens kvantetilstand bør komme i fokus i fremtidige eksperimenter.

Jonathan Fletcher, Højere forsker, National Physical Laboratory (NPL) siger, "Når du arbejder på nuværende standarder, kan du joke med folk om, at dit job er at tælle elektroner. Nu zoomer vi ind på kvantetilstanden af ​​disse elektroner, det er vel mere som om, vi mærker deres form på en eller anden måde. Dette er vigtigt, fordi det er det, der sætter opløsningen i registreringsapplikationer, og det fortæller os om levedygtigheden af ​​at bruge disse elektroner i mere sofistikerede kredsløb."