Onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology hebben in samenwerking met de Universiteit van Cambridge de interactie tussen microgolfvelden en elektronische defecttoestanden in de oxidelaag van veldeffecttransistoren bij cryogene temperaturen bestudeerd. Het is gebleken dat de fysica van dergelijke defecttoestanden consistent is met aangedreven systemen met twee niveaus die lange coherentietijden hebben, en dat hun geïnduceerde dynamiek coherent en onafhankelijk kan worden gecontroleerd.

Door de aard van dit werk, het is te hopen dat dergelijke resultaten zullen bijdragen aan het gebied van gecorreleerde elektronische glasdynamiek in de fysica van gecondenseerde materie; een beter begrip geven van de effecten van ladingsruis in mesoscopische apparaten; en nieuwe studies mogelijk te maken voor het ontwikkelen van nieuwe technologieën op het belangrijke gebied van op halfgeleiders gebaseerde kwantuminformatieverwerking.

Defecttoestanden die fungeren als elektronenvallen in oxide-halfgeleiderinterfaces zijn meestal bronnen van ruis en hebben de neiging om de prestaties van apparaten op nanoschaal te verminderen. Dergelijke defecttoestanden kunnen de elektrostatische omgeving wijzigen die wordt ervaren door geleidende elektronen, hen dwingen om door nanodraad-achtige paden te sijpelen bij voldoende lage temperaturen. Dit maakt effectief een detectiemechanisme mogelijk van de bezetting van dergelijke opvanglocaties door de stroom gemeten in het geleidingskanaal. Een dergelijk effect wordt normaal gesproken waargenomen als willekeurige telegraafruis (RTN), wat overeenkomt met de onsamenhangende emissie en vangst van elektronen in de valtoestanden, gemedieerd door de thermische achtergrond.

Gemotiveerd door de grote veranderingen in de geleidbaarheid veroorzaakt door RTN in veldeffecttransistoren (FET), wetenschappers van het Quantum Nanoelectronics Research Center, Instituut voor innovatief onderzoek (Tokyo Tech), het Centrum voor geavanceerde fotonica en elektronica (Universiteit van Cambridge), en Cavendish Laboratory (Universiteit van Cambridge) onderzochten mogelijke mechanismen waarin de bezetting van defecttoestanden zowel kon worden waargenomen als dynamisch gemedieerd door middel van coherente microgolfvelden. Werken bij cryogene temperaturen, er werd gevonden dat de dynamiek van dergelijke traptoestanden consistent is met systemen op twee niveaus (TLS), waarin de energieniveaus discreet zijn en alleen de twee laagste toegankelijk zijn binnen de energie van het excitatiesignaal. Een TLS kan de basis vormen voor een kwantumbitimplementatie.

Uit de microgolf spectroscopische handtekening van de respons van de FET die in dit werk wordt gebruikt, met een groot aantal hoogwaardige factorresonanties (Q> 10000), de geëxtraheerde coherentietijden die in deze studie zijn waargenomen, zijn aanzienlijk langer, met bijna drie ordes van grootte, dan andere op defecten gebaseerde implementaties van TLS. Het uitvoeren van experimenten met één puls geeft de mogelijkheid om de dynamiek van de opgesloten elektronen te bestuderen, waarvan is gevonden dat ze niet afhankelijk zijn van de chemie van het gebruikte diëlektricum. En met behulp van een standaard Ramsey-protocol, coherente controle is bereikt. Verder, gebruikmakend van een optische hoofdvergelijking die de dynamiek van de gevangen elektronen vastlegt en een fysiek model gebaseerd op lineaire responstheorie, het was mogelijk om het experimentele gedrag waargenomen in de experimenten te reproduceren.

Verder, bleek dat de defecte toestanden relatief goed beschermd zijn tegen fononen, het verklaren van de lange gemeten decoherentietijden, en dat de belangrijkste bron van terugwerking verband zou kunnen houden met Coulomb-interacties op lange afstand met andere ladingen. Eindelijk, aangezien elke resonantie onafhankelijk kan worden aangesproken in de frequentieruimte, de brede spreiding van lange waargenomen coherentietijden, en de quasi-uniforme dichtheid van gemeten toestanden, het is te hopen dat dit werk de mogelijkheid zou kunnen motiveren om dergelijke systemen als kwantumgeheugens of kwantumbits te gebruiken in toekomstige implementaties van kwantuminformatieverwerking.