KAIST-onderzoekers hebben de detectie van een picoseconde-elektronenbeweging in een siliciumtransistor gerapporteerd. Deze studie heeft een nieuw protocol gepresenteerd voor het meten van ultrasnelle elektronische dynamiek op een effectieve tijdsopgeloste manier van picoseconde resolutie. De detectie is gedaan in samenwerking met Nippon Telegraph en Telephone Corp. (NTT) in Japan en National Physical Laboratory (NPL) in het VK en is voor zover wij weten het eerste rapport.

Wanneer een elektron wordt gevangen in een val op nanoschaal in vaste stoffen, de kwantummechanische golffunctie kan ruimtelijke oscillatie vertonen bij sub-terahertz-frequenties. Tijdsopgeloste detectie van dergelijke picoseconde dynamiek van kwantumgolven is belangrijk, omdat de detectie een manier biedt om het kwantumgedrag van elektronen in nano-elektronica te begrijpen. Het is ook van toepassing op kwantuminformatietechnologieën, zoals de ultrasnelle kwantumbit-bewerking van kwantumcomputers en hooggevoelige elektromagnetische velddetectie. Echter, het detecteren van picoseconde-dynamiek was een uitdaging, omdat de sub-terahertz-schaal veel verder gaat dan de nieuwste instrumenten voor het meten van bandbreedte.

Een KAIST-team onder leiding van professor Heung-Sun Sim ontwikkelde een theorie van ultrasnelle elektronendynamica in een val op nanoschaal, en stelde een schema voor voor het detecteren van de dynamiek, die gebruik maakt van een kwantummechanische resonantietoestand gevormd naast de val. De koppeling tussen de elektronendynamica en de resonantietoestand wordt op een picoseconde in- en uitgeschakeld, zodat informatie over de dynamica wordt uitgelezen over de elektrische stroom die wordt gegenereerd wanneer de koppeling wordt ingeschakeld.

NTT realiseerde zich, samen met NPL, het detectieschema en paste het toe op elektronenbewegingen in een nanoschaalval gevormd in een siliciumtransistor. Een enkel elektron werd gevangen in de val door elektrostatische poorten te regelen, en een resonantietoestand werd gevormd in de potentiële barrière van de val.

Het in- en uitschakelen van de koppeling tussen het elektron en de resonantietoestand werd bereikt door de resonantie-energie binnen een picoseconde af te stemmen op de energie van het elektron. Een elektrische stroom van de val door de resonantietoestand naar een elektrode werd gemeten bij slechts enkele graden Kelvin, onthulling van de ruimtelijke kwantum-coherente oscillatie van het elektron met een frequentie van 250 GHz in de val.

Professor Sim zei:"Dit werk suggereert een schema voor het detecteren van picoseconde-elektronenbewegingen op submicronschalen door gebruik te maken van kwantumresonantie. Het zal nuttig zijn bij de dynamische controle van kwantummechanische elektronengolven voor verschillende doeleinden in nano-elektronica, kwantumdetectie, en kwantuminformatie."

Dit werk is online gepubliceerd op: Natuur Nanotechnologie op 4 november. Het werd gedeeltelijk ondersteund door de Korea National Research Foundation via het SRC Center for Quantum Coherence in Condensed Matter.