Wetenschappers van het National Physical Laboratory (NPL), werken met de Universiteit van Letland, de Universiteit van Berlijn, Cambridge University en University College London, hebben een tomografische methode ontwikkeld om de toestand van solitaire elektronen die worden uitgezonden door elektronenpompen te visualiseren.

Elektronenpompen zijn halfgeleiderapparaten die afzonderlijke elektronen 'on-demand' opvangen en uitzenden. De controle van enkele elektronen is een potentieel bruikbare techniek voor toekomstige kwantumtechnologieplatforms, ondersteunende precisie elektrische metrologie, snelle detectie, en kwantumberekening/communicatie.

De nieuwe methode maakt het mogelijk om de vorm van het elektron in het energie-tijdvlak in kaart te brengen en kan de kwantumtoestand van het elektron onthullen. Dit zou de ontwikkeling van kwantumdetectieschema's helpen of codering van kwantuminformatie naar de elektronentoestand mogelijk maken.

Enkele elektronenpompen:voorbij ladingsoverdracht

Het is vaak handig om elektriciteit te zien als de stroom van een continue vloeistof en de korreligheid ervan te negeren. Zelfs kleine elektrische stromen in het microampère-bereik komen overeen met vele biljoenen (1012) elektronen per seconde en de beweging van individuele elektronen is vaak niet duidelijk. Typisch, de intrinsieke "klonterigheid" van elektriciteit openbaart zich alleen in de ongewenste vorm van achtergrond ("shot") ruis in elektronische componenten.

De ontwikkeling van apparaten op nanometerschaal in hoogtechnologische metaal/halfgeleiderstructuren heeft wetenschappers in staat gesteld de controle over enkelvoudige elektroneffecten voor nuttige doeleinden over te nemen. Single-elektronapparaten kunnen worden gebruikt als sensoren van elektrisch veld, cryogene thermometers, en als bouwstenen voor bepaalde soorten 'qubit'.

De recente herdefiniëring van de SI-ampère maakt het mogelijk om enkelvoudige elektronenpompen te gebruiken als primaire stroomstandaarden, het creëren van een bekende stroom één elektron tegelijk.

Een ander gebruik van deze "ultieme stroombron" is het injecteren van enkele elektronen in de golfgeleider die langs de rand van een halfgeleider in een magnetisch veld kan bestaan. Deze elektronen kunnen zeer lange afstanden afleggen (tientallen micrometers) zonder verstrooiing. Dit effect biedt een platform dat vaak losjes wordt omschreven als "elektronenkwantumoptica, " naar analogie met optische systemen waarvan het kwantumgedrag goed is onderzocht. De brede motivatie voor het "verwisselen van fotonen voor elektronen" is het ontwikkelen van solid-state kwantumapparaatinfrastructuren met mogelijke voordelen van schaalbaarheid en gemak van integratie.

Een vroege toepassing zou de detectie van tijdafhankelijke signalen met een hoge effectieve bandbreedte kunnen zijn, gebruikmakend van het feit dat enkele ballistische elektronen interageren met circuitcomponenten op picoseconde tijdschalen. Hoewel dit idee door sommigen van hetzelfde team in een eerder werk is gedemonstreerd, kwantumversies van dit effect zullen naar verwachting een verhoogde gevoeligheid hebben. Echter, het benutten van kwantumeffecten en het bereiken van detectie met hoge resolutie in de aanwezigheid van potentieel gecompliceerde interacties vereist controle en uitlezing van de kwantumtoestand van enkele elektronen. Deze vraag die in dit nieuwe werk aan de orde komt, is hoe de toestand van elektronen die door de pomp worden uitgezonden, kan worden onderzocht.

Energieselectieve sondes van elektronen

In de apparaten die hier worden gebruikt, de elektronen worden uitgezonden met relatief hoge energie, ongeveer 100 meV hoger dan alle andere elektronen in het systeem, reizen door een kanaal waar andere elektronen zijn uitgeput.

De tijdvertraging tussen elk elektron (3,6 nanoseconden) is ook groter dan de aankomsttijdverdeling van elk elektron (slechts ~10 picoseconden lang), zodat elk elektron enigszins geïsoleerd is van andere geleidingselektronen. Een gevolg van deze eenzame aard is dat elke sonde die de aanwezigheid van andere elektronen vereist, zoals andere onderzoekers hebben gebruikt voor elektronenbronnen met lage energie, is niet levensvatbaar.

In plaats daarvan gebruikte dit team hogesnelheidsbesturing van een barrière die in het pad van de elektronen was geplaatst. Dit wordt gebruikt om de transmissie selectief te blokkeren, tijdens het meten van de transmissiewaarschijnlijkheid via de verzonden stroom.

Dit levert voldoende informatie op voor het tomografische in kaart brengen van de elektronenenergie, tijdverdeling en een krachtige visualisatie van de elektronische vorm in energie-tijdcoördinaten.

De kwantumlimiet naderen

De gemeten verdelingen bleken geconcentreerd te zijn in een kleine lensvorm waarvan de hoek wordt bepaald door de elektronenejectiesnelheid. Dit geeft een manier om de verdeling vorm te geven met behulp van experimentele controles. De auteurs hebben ook overwogen hoe mogelijk het is om in deze apparaten dicht bij de intrinsieke kwantumwaasheid (opgelegd door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg) te komen. Kwantumbeperkte transmissie van de elektronen zou de ontwikkeling van meer geavanceerde apparaten mogelijk maken, zoals hete-elektroneninterferometers die als sensoren kunnen fungeren. Terwijl de huidige experimenten net buiten dit regime plaatsvinden, de ingeprente dynamiek van elektronenejectie is duidelijk, en theoretisch werk suggereert dat informatie over de kwantumtoestand van het elektron in toekomstige experimenten in beeld zou moeten komen.

Jonathan Fletcher, Hoger onderzoeker, National Physical Laboratory (NPL) zegt, "Als je aan de huidige normen werkt, kun je met mensen grappen maken dat het jouw taak is om elektronen te tellen. Nu zoomen we in op de kwantumtoestand van deze elektronen. Ik denk dat het meer is alsof we hun vorm op de een of andere manier voelen. Dit is belangrijk omdat het is wat de resolutie bepaalt in detectietoepassingen, en het vertelt ons over de levensvatbaarheid van het gebruik van deze elektronen in meer geavanceerde circuits."