Esquema de tomografía electrónica mediante barrera modulada. a Una distribución de Wigner desconocida W (E, t) de una fuente de electrones periódica, el electrón se puede filtrar usando una barrera de energía de umbral lineal en el tiempo establecida en la altura ET. La parte transmitida y reflejada, PT etiquetados y 1-PT dan como resultado corrientes transmitidas y reflejadas proporcionales. Una proyección marginal de esta distribución en la energía, El plano de tiempo se puede medir fijando la tasa de rampa de la barrera βE, que establece ET, luego moviendo el límite del umbral a lo largo del eje S en incrementos dS, mientras se miden los cambios resultantes en la corriente transmitida. La repetición del experimento a diferentes velocidades de rampa (que establece el ángulo θ) proporciona suficiente información para una reconstrucción numérica de la distribución. b Micrografía electrónica de barrido de color falso del dispositivo idéntico al medido (consulte los métodos para obtener más detalles). La bomba de electrones (izquierda, resaltado en verde) inyecta la corriente de la bomba Ip. La barrera (derecha, resaltado en rojo) bloquea selectivamente los electrones dando corriente transmitida IT≤IP. El camino entre estos se indica con una línea. Las puertas a lo largo del camino (controladas por VG4) agotan el gas de electrones subyacente pero no bloquean los electrones de alta energía. c Voltajes de control típicos dependientes del tiempo para la bomba VG1 y la barrera de sonda VG3 (cada una tiene una compensación de CC; consulte los métodos). d Potencial electrónico U (x) a lo largo de la ruta de los electrones entre la fuente y la barrera de la sonda en tres etapas representativas para el bombeo (izquierda) y el bloqueo (derecha). Crédito: Comunicaciones de la naturaleza
Científicos del Laboratorio Nacional de Física (NPL), trabajando con la Universidad de Letonia, la Universidad de Berlín, Universidad de Cambridge y University College London, han desarrollado un método tomográfico para visualizar el estado de los electrones solitarios emitidos por las bombas de electrones.
Las bombas de electrones son dispositivos semiconductores que atrapan y emiten electrones individuales "a pedido". El control de electrones individuales es una técnica potencialmente útil para futuras plataformas de tecnología cuántica, apoyo a la metrología eléctrica de precisión, detección de alta velocidad, y computación / comunicaciones cuánticas.
El nuevo método permite mapear la forma del electrón en el plano energía-tiempo y puede revelar el estado cuántico del electrón. Esto ayudaría al desarrollo de esquemas de detección cuántica o permitiría la codificación de información cuántica en el estado del electrón.
Bombas de electrones individuales:más allá de la transferencia de carga
A menudo es conveniente pensar en la electricidad como el flujo de un fluido continuo e ignorar su granularidad. Incluso las pequeñas corrientes eléctricas en el rango de los microamperios corresponden a muchos billones (1012) de electrones por segundo y el movimiento de electrones individuales a menudo no es evidente. Típicamente, la "irregularidad" intrínseca de la electricidad sólo se revela en la forma no deseada de ruido de fondo ("disparo") en los componentes electrónicos.
El desarrollo de dispositivos a escala nanométrica en estructuras metálicas / semiconductoras de alta ingeniería ha permitido a los científicos tomar el control de los efectos de un solo electrón para fines útiles. Los dispositivos de un solo electrón se pueden utilizar como sensores de campo eléctrico, termómetros criogénicos, y como bloques de construcción para ciertos tipos de "qubit".
La reciente redefinición del amperio SI permite que las bombas de un solo electrón se utilicen como estándares de corriente primaria, creando una corriente conocida un electrón a la vez.
Otro uso de esta "fuente de corriente final" es inyectar electrones individuales en la guía de ondas que pueden existir a lo largo del borde de un semiconductor en un campo magnético. Estos electrones pueden viajar distancias muy largas (decenas de micrómetros) sin dispersarse. Este efecto proporciona una plataforma que a menudo se describe vagamente como "óptica cuántica de electrones, "por analogía con los sistemas ópticos cuyo comportamiento cuántico está bien explorado. La amplia motivación para" intercambiar fotones por electrones "es desarrollar infraestructuras de dispositivos cuánticos de estado sólido con posibles ventajas de escalabilidad y facilidad de integración.
Una aplicación temprana podría ser la detección de señales dependientes del tiempo con un ancho de banda efectivo alto, utilizando el hecho de que los electrones balísticos individuales interactúan con los componentes del circuito en escalas de tiempo de picosegundos. Si bien esta idea ha sido demostrada por algunos miembros del mismo equipo en un trabajo anterior, Se espera que las versiones cuánticas de este efecto tengan una mayor sensibilidad. Sin embargo, Aprovechar los efectos cuánticos y lograr la detección de alta resolución en presencia de interacciones potencialmente complicadas requiere el control y la lectura del estado cuántico de electrones individuales. Esta pregunta que se aborda en este nuevo trabajo es cómo probar el estado de los electrones emitidos por la bomba.
Sondas selectivas de energía de electrones
En los dispositivos usados aquí, los electrones se emiten con una energía relativamente alta, aproximadamente 100 meV más alto que cualquier otro electrón en el sistema, viajando a través de un canal donde otros electrones se han agotado.
El retardo de tiempo entre cada electrón (3,6 nanosegundos) también es mayor que la distribución del tiempo de llegada de cada electrón (solo ~ 10 picosegundos de longitud), por lo que cada electrón está algo aislado de cualquier otro electrón de conducción. Una consecuencia de esta naturaleza solitaria es que cualquier sonda que requiera la presencia de otros electrones, como otros investigadores han utilizado para fuentes de electrones de baja energía, no es viable.
En cambio, este equipo utilizó el control de alta velocidad de una barrera colocada en el camino de los electrones. Esto se usa para bloquear selectivamente la transmisión, mientras se mide la probabilidad de transmisión a través de la corriente transmitida.
Esto proporciona suficiente información para el mapeo tomográfico de la energía electrónica, distribución del tiempo y una poderosa visualización de la forma electrónica en coordenadas energía-tiempo.
Acercándose al límite cuántico
Se encontró que las distribuciones medidas estaban concentradas en una forma de lente pequeña cuyo ángulo se establece mediante la velocidad de expulsión de electrones. Esto proporciona una forma de dar forma a la distribución mediante controles experimentales. Los autores también consideraron cuán posible es acercarse a la borrosidad cuántica intrínseca (impuesta por el principio de incertidumbre de Heisenberg) en estos dispositivos. La transmisión cuántica limitada de los electrones permitiría el desarrollo de dispositivos más sofisticados, como interferómetros de electrones calientes que podrían actuar como sensores. Si bien los experimentos actuales están operando justo fuera de este régimen, la dinámica impresa de la expulsión de electrones es clara, y el trabajo teórico sugiere que la información sobre el estado cuántico del electrón debería enfocarse en experimentos futuros.
Jonathan Fletcher, Investigador científico superior, El Laboratorio Nacional de Física (NPL) dice:"Cuando trabajas con los estándares actuales, puedes bromear con la gente diciendo que tu trabajo es contar electrones. Ahora estamos ampliando el estado cuántico de estos electrones, supongo que es más como si estuviéramos sintiendo su forma de alguna manera. Esto es importante porque es lo que establece la resolución en aplicaciones de detección, y nos informa sobre la viabilidad de utilizar estos electrones en circuitos más sofisticados ".
