(a) Representación esquemática del dispositivo FET utilizado en este trabajo. (b) Diagrama esquemático de la interacción entre el electrón atrapado y las vías de percolación mediadas por el campo MW (arriba). Eventos de RTN multinivel registrados en la corriente FET medida a 80 K (abajo). (c) Espectroscopía de microondas CW de banda ancha de la corriente del canal FET realizada a 4,2 K. Cada pico estrecho es una resonancia separada que se resuelve en una forma de Fano o Lorentziana con una resolución más alta (recuadro). (d) Densidad de estados (rojo), histogramas de cambio de amplitud (azul) y tiempos de coherencia (recuadro). Crédito: Materiales de la naturaleza
Investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio, en colaboración con la Universidad de Cambridge, han estudiado la interacción entre los campos de microondas y los estados de defectos electrónicos dentro de la capa de óxido de los transistores de efecto de campo a temperaturas criogénicas. Se ha encontrado que la física de tales estados de defecto es consistente con sistemas impulsados de dos niveles que poseen tiempos de coherencia largos, y que su dinámica inducida puede controlarse de forma coherente e independiente.
Debido a la naturaleza de este trabajo, se espera que tales resultados contribuyan al campo de la dinámica vítrea electrónica correlacionada en la física de la materia condensada; dar una mejor comprensión de los efectos del ruido de carga en los dispositivos mesoscópicos; y permitir nuevos estudios para desarrollar tecnologías novedosas en el importante campo del procesamiento de información cuántica basado en semiconductores.
Los estados defectuosos que actúan como trampas de electrones en las interfaces óxido-semiconductor suelen ser fuentes de ruido y tienden a reducir el rendimiento de los dispositivos a nanoescala. Tales estados defectuosos pueden modificar el entorno electrostático experimentado por la conducción de electrones, obligándolos a filtrarse a través de vías similares a nanocables a temperaturas suficientemente bajas. Esto permite efectivamente un mecanismo de detección de la ocupación de dichos sitios de trampa por la corriente medida en el canal de conducción. Tal efecto se observa normalmente como ruido telegráfico aleatorio (RTN), que corresponde a la emisión y captura incoherente de electrones en los estados de trampa, mediada por el fondo térmico.
Motivado por los grandes cambios en la conductividad causados por RTN en transistores de efecto de campo (FET), científicos del Centro de Investigación de Nanoelectrónica Cuántica, Instituto de Investigación Innovadora (Tokyo Tech), el Centro de Fotónica y Electrónica Avanzadas (Universidad de Cambridge), y el Laboratorio Cavendish (Universidad de Cambridge) investigaron posibles mecanismos en los que la ocupación de los estados de defecto podría ser observada y mediada dinámicamente por medio de campos de microondas coherentes. Trabajando a temperaturas criogénicas, se encontró que la dinámica de tales estados de trampa es consistente con los sistemas de dos niveles (TLS), en el que los niveles de energía son discretos y solo los dos más bajos son accesibles dentro de la energía de la señal de excitación. Un TLS puede representar la base para una implementación de bits cuánticos.
A partir de la firma espectroscópica de microondas de la respuesta del FET utilizada en este trabajo, mostrando un gran número de resonancias de factores de alta calidad (Q> 10000), los tiempos de coherencia extraídos observados en este estudio son considerablemente más largos, por casi tres órdenes de magnitud, que otras implementaciones de TLS basadas en defectos. La realización de experimentos de un solo pulso brinda la posibilidad de estudiar la dinámica de los electrones atrapados, que se ha descubierto que no dependen de la química del dieléctrico utilizado. Y utilizando un protocolo estándar de Ramsey, se logró un control coherente. Es más, empleando una ecuación maestra óptica que captura la dinámica de los electrones atrapados y un modelo físico basado en la teoría de respuesta lineal, fue posible reproducir el comportamiento experimental observado en los experimentos.
Es más, Se encontró que los estados defectuosos están relativamente bien protegidos contra fonones, explicando los largos tiempos de decoherencia medidos, y que la principal fuente de retroacción podría estar relacionada con interacciones Coulombic de largo alcance con otras cargas. Finalmente, dado que cada resonancia se puede abordar de forma independiente en el espacio de frecuencias, la amplia distribución de largos tiempos de coherencia observados, y la densidad casi uniforme de estados medidos, Se espera que este trabajo pueda motivar la posibilidad de utilizar sistemas tales como memorias cuánticas o bits cuánticos en futuras implementaciones de procesamiento de información cuántica.