Udforskning af defekter i nanoskala-enheder til mulige kvanteberegningsapplikationer

Forskere ved Tokyo Institute of Technology i samarbejde med University of Cambridge har undersøgt interaktionen mellem mikrobølgefelter og elektroniske defekttilstande inde i oxidlaget af felteffekttransistorer ved kryogene temperaturer. Det har vist sig, at fysikken i sådanne defekttilstande er i overensstemmelse med drevne to-niveausystemer, der har lange kohærenstider, og at deres inducerede dynamik kan kontrolleres sammenhængende og uafhængigt.

På grund af dette værks art, det er håbet, at sådanne resultater vil bidrage til feltet af korreleret elektronisk glasagtig dynamik i kondenseret stoffysik; give en bedre forståelse af ladningsstøjeffekter i mesoskopiske enheder; og muliggøre nye undersøgelser til udvikling af nye teknologier inden for det vigtige område af halvlederbaseret kvanteinformationsbehandling.

Defekttilstande, der fungerer som elektronfælder i oxid-halvledergrænseflader, er normalt kilder til støj og har en tendens til at reducere ydeevnen af ​​enheder i nanoskala. Sådanne defekttilstande kan ændre det elektrostatiske miljø, der opleves ved at lede elektroner, tvinger dem til at perkolere gennem nanotrådlignende baner ved lave nok temperaturer. Dette muliggør effektivt en detektionsmekanisme for besættelse af sådanne fældesteder med strømmen målt i ledningskanalen. En sådan effekt observeres normalt som tilfældig telegrafstøj (RTN), hvilket svarer til den usammenhængende emission og indfangning af elektroner i fældetilstandene, medieret af den termiske baggrund.

Motiveret af de store ændringer i ledningsevnen forårsaget af RTN i felteffekttransistorer (FET), forskere ved Quantum Nanoelectronics Research Center, Institut for Innovativ Forskning (Tokyo Tech), Center for Advanced Photonics and Electronics (University of Cambridge), og Cavendish Laboratory (University of Cambridge) undersøgte mulige mekanismer, hvor besættelsen af ​​defekttilstande både kunne observeres og dynamisk medieres ved hjælp af sammenhængende mikrobølgefelter. Arbejde ved kryogene temperaturer, det blev fundet, at dynamikken i sådanne fældetilstande er i overensstemmelse med to-niveau systemer (TLS), hvor energiniveauerne er diskrete, og kun de to laveste er tilgængelige inden for excitationssignalets energi. En TLS kan repræsentere grundlaget for en kvantebitimplementering.

Fra den mikrobølgespektroskopiske signatur af responsen fra FET'en brugt i dette arbejde, viser et stort antal højkvalitetsfaktorresonanser (Q> 10.000), de ekstraherede kohærenstider observeret i denne undersøgelse er betydeligt længere, med næsten tre størrelsesordener, end andre defektbaserede implementeringer af TLS. Udførelse af enkeltpulseksperimenter giver mulighed for at studere dynamikken i de fangede elektroner, som har vist sig ikke at afhænge af kemien af ​​det anvendte dielektrikum. Og ved hjælp af en standard Ramsey -protokol, en sammenhængende kontrol blev opnået. Desuden, ved at anvende en optisk masterligning, der fanger dynamikken i de fangede elektroner og en fysisk model baseret på lineær responsteori, det var muligt at gengive den eksperimentelle adfærd observeret i eksperimenterne.

Desuden, det viste sig, at defekttilstandene er relativt godt beskyttet mod fononer, forklarer de lange målte dekohærenstider, og at hovedkilden til tilbagevirkning kunne være relateret til langdistance-coulombiske interaktioner med andre ladninger. Endelig, da hver resonans kan adresseres uafhængigt i frekvensrummet, den brede fordeling af observerede lange kohærenstider, og den kvasi-ensartede tæthed af målte tilstande, det håbes, at dette arbejde kan motivere muligheden for at bruge sådanne systemer som kvantehukommelser eller kvantebits i fremtidige implementeringer af kvanteinformationsbehandling.