Credito:Nature Communications

Introduzione

Gli scienziati del National Physical Laboratory (NPL), in collaborazione con l’Università della Lettonia, l’Università di Berlino, l’Università di Cambridge e l’University College di Londra, hanno sviluppato un metodo tomografico per visualizzare lo stato degli elettroni isolati emessi dalle pompe di elettroni.

Le pompe elettroniche sono dispositivi a semiconduttore che intrappolano ed emettono singoli elettroni “su richiesta“. Il controllo di singoli elettroni è una tecnica potenzialmente utile per le future piattaforme di tecnologia quantistica, che supporta metrologia elettrica di precisione, rilevamento ad alta velocità e calcolo / comunicazioni quantistiche.

Il nuovo metodo consente la mappatura della forma dell’elettrone nel piano energia-tempo e può rivelare lo stato quantistico dell’elettrone. Ciò aiuterebbe lo sviluppo di schemi di rilevamento quantistico o consentirebbe la codifica delle informazioni quantistiche sullo stato elettronico.

Pompe a singolo elettrone: oltre il trasferimento di carica

Spesso è conveniente pensare all’elettricità come al flusso di un fluido continuo e ignorarne la granularità. Anche piccole correnti elettriche nella gamma dei microampere corrispondono a molti trilioni (1012) di elettroni al secondo e il movimento dei singoli elettroni spesso non è evidente. Tipicamente, l’intrinseca “nodosità” dell’elettricità si rivela solo nella forma indesiderata del rumore di fondo (“shot“) nei componenti elettronici.

Lo sviluppo di dispositivi su scala nanometrica in strutture metallichesemiconduttori altamente ingegnerizzate ha permesso agli scienziati di assumere il controllo di singoli elettroni con conseguenze utili per vari scopi. I dispositivi a singolo elettrone possono essere usati come sensori di campo elettrico, termometri criogenici e come elementi costitutivi di alcuni tipi di “qubit.

La recente ridefinizione dell’ampere SI consente di utilizzare pompe a singolo elettrone come standard di corrente primaria, creando una corrente nota un elettrone alla volta.

Un altro uso di questa “ultima fonte di corrente” è quello di iniettare singoli elettroni nella guida d’onda che può esistere lungo il bordo di un semiconduttore in un campo magnetico. Questi elettroni possono viaggiare per distanze molto lunghe (decine di micrometri) senza dispersione. Questo effetto fornisce una piattaforma che è spesso descritta come “ottica quantistica elettronica“, per analogia con sistemi ottici il cui comportamento quantico è ben esplorato. L’ampia motivazione di “scambio di fotoni con elettroni” è lo sviluppo di infrastrutture di dispositivi quantici a stato solido con possibili vantaggi di scalabilità e facilità di integrazione.

Un’applicazione iniziale potrebbe essere il rilevamento di segnali dipendenti dal tempo con un’elevata ed efficace larghezza di banda, utilizzando il fatto che singoli elettroni balistici interagiscono con i componenti del circuito su scale temporali di picosecondi. Mentre questa idea è stata dimostrata da alcuni dello stesso team in un precedente lavoro, ci si aspetta che le versioni quantistiche di questo effetto abbiano una maggiore sensibilità. Tuttavia, sfruttare gli effetti quantistici e ottenere il rilevamento ad alta risoluzione in presenza di interazioni potenzialmente complicate richiede il controllo e la lettura dello stato quantico dei singoli elettroni. Questa domanda posta in questo nuovo lavoro è come sondare lo stato degli elettroni emessi dalla pompa.

Sonde selettive dell’energia di elettroni

Nei dispositivi qui utilizzati, gli elettroni sono emessi con energia relativamente alta, circa 100 meV più alta di qualsiasi altro elettrone nel sistema, viaggiando attraverso un canale in cui altri elettroni sono stati impoveriti.

Il ritardo tra ciascun elettrone (3,6 nanosecondi) è anche maggiore della distribuzione del tempo di arrivo di ciascun elettrone (solo ~ 10 picosecondi), quindi ogni elettrone è in qualche modo isolato da qualsiasi altro elettrone di conduzione. Una conseguenza di questa natura solitaria è che qualsiasi sonda che richiede la presenza di altri elettroni, come altri ricercatori hanno usato per fonti di elettroni a bassa energia, non è praticabile.

Invece questa squadra ha usato il controllo ad alta velocità di una barriera posta nel percorso degli elettroni. Questo è usato per bloccare selettivamente la trasmissione, misurando la probabilità di trasmissione attraverso la corrente trasmessa.

Ciò fornisce informazioni sufficienti per la mappatura tomografica dell’energia elettronica, la distribuzione del tempo e una potente visualizzazione della forma elettronica nelle coordinate energia-tempo.

Avvicinamento al limite quantico

Le distribuzioni misurate sono risultate concentrate in una forma di lente piccola il cui angolo è impostato dalla velocità di espulsione dell’elettrone. Questo dà un modo di modellare la distribuzione usando controlli sperimentali. Gli autori hanno anche considerato quanto sia possibile avvicinarsi alla confusione quantistica intrinseca (imposta dal principio di incertezza di Heisenberg) in questi dispositivi. 

La trasmissione quantistica limitata degli elettroni consentirebbe lo sviluppo di dispositivi più sofisticati, come gli interferometri a elettroni caldi che potrebbero fungere da sensori. Mentre i presenti esperimenti stanno operando appena al di fuori di questo regime, le dinamiche impresse dell’emissione di elettroni sono chiare e il lavoro teorico suggerisce che le informazioni sullo stato quantico dell’elettrone dovrebbero essere messe a fuoco in esperimenti futuri.

Jonathan Fletcher, Higher Research Scientist, National Physical Laboratory (NPL) afferma: “Quando lavori sugli standard attuali puoi scherzare con le persone sul fatto che il tuo lavoro è contare gli elettroni. Ora stiamo effettuando uno zooming-in nello stato quantico di questi elettroni. Questo è importante perché è ciò che determina la risoluzione nel rilevamento delle applicazioni e ci da informoazioni sulla fattibilità d’uso di questi elettroni in circuiti più sofisticati”.

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