Esquema de tomografia de elétrons usando uma barreira modulada. a Uma distribuição Wigner desconhecida W (E, t) de um elétron de fonte de elétron periódico pode ser filtrado usando uma barreira de energia de limiar linear no tempo definida na altura ET. A parte transmitida e refletida, PT etiquetados e 1-PT resultam em correntes transmitidas e refletidas proporcionais. Uma projeção marginal desta distribuição na energia, o plano de tempo pode ser medido fixando a taxa de rampa da barreira βE, que define ET, em seguida, movendo o limite do limiar ao longo do eixo S em incrementos dS, enquanto mede as mudanças resultantes na corrente transmitida. Repetir o experimento em diferentes taxas de rampa (que define o ângulo θ) fornece informações suficientes para uma reconstrução numérica da distribuição. b Micrografia eletrônica de varredura em cores falsas do dispositivo idêntico ao medido (consulte os métodos para obter detalhes). A bomba de elétrons (esquerda, destacado em verde) injeta o IP atual da bomba. A barreira (certo, destacado em vermelho) bloqueia seletivamente os elétrons, fornecendo a corrente transmitida IT≤IP. O caminho entre eles é indicado por uma linha. As portas ao longo do caminho (controladas por VG4) esgota o gás do elétron subjacente, mas não bloqueia os elétrons de alta energia. c Tensões de controle dependentes do tempo típicas para a bomba VG1 e a barreira da sonda VG3 (cada uma tem um deslocamento CC - consulte os métodos). d Potencial de elétron U (x) ao longo do caminho do elétron entre a fonte e a barreira da sonda em três estágios representativos para bombeamento (esquerda) e bloqueio (direita). Crédito: Nature Communications
Cientistas do National Physical Laboratory (NPL), trabalhando com a Universidade da Letônia, a Universidade de Berlim, Cambridge University e University College London, desenvolveram um método tomográfico para visualizar o estado de elétrons solitários emitidos por bombas de elétrons.
As bombas de elétrons são dispositivos semicondutores que capturam e emitem elétrons únicos 'sob demanda'. O controle de elétrons únicos é uma técnica potencialmente útil para futuras plataformas de tecnologia quântica, apoiando metrologia elétrica de precisão, detecção de alta velocidade, e computação / comunicação quântica.
O novo método permite o mapeamento da forma do elétron no plano de energia-tempo e pode revelar o estado quântico do elétron. Isso ajudaria no desenvolvimento de esquemas de detecção quântica ou permitiria a codificação de informações quânticas no estado do elétron.
Bombas de elétrons simples:além da transferência de carga
Freqüentemente, é conveniente pensar na eletricidade como o fluxo de um fluido contínuo e ignorar sua granularidade. Mesmo pequenas correntes elétricas na faixa de microampere correspondem a muitos trilhões (1012) de elétrons por segundo e o movimento de elétrons individuais muitas vezes não é aparente. Tipicamente, o "volume" intrínseco da eletricidade só se revela na forma indesejável de ruído de fundo ("tiro") em componentes eletrônicos.
O desenvolvimento de dispositivos em escala nanométrica em estruturas de metal / semicondutor altamente projetadas permitiram aos cientistas assumir o controle dos efeitos de um único elétron para fins úteis. Dispositivos de elétron único podem ser usados como sensores de campo elétrico, termômetros criogênicos, e como blocos de construção para certos tipos de "qubit".
A recente redefinição do SI ampere permite que bombas de elétron único sejam usadas como padrões de corrente primários, criar uma corrente conhecida, um elétron de cada vez.
Outro uso desta "fonte de corrente final" é injetar elétrons únicos no guia de onda que pode existir ao longo da borda de um semicondutor em um campo magnético. Esses elétrons podem viajar por distâncias muito longas (dezenas de micrômetros) sem se espalhar. Este efeito fornece uma plataforma que muitas vezes é descrita vagamente como "óptica quântica de elétrons, "por analogia com sistemas ópticos cujo comportamento quântico é bem explorado. A grande motivação para" trocar fótons por elétrons "é desenvolver infraestruturas de dispositivos quânticos de estado sólido com possíveis vantagens de escalabilidade e facilidade de integração.
Uma aplicação inicial pode ser a detecção de sinais dependentes do tempo com uma alta largura de banda efetiva, usando o fato de que os elétrons balísticos únicos interagem com os componentes do circuito em escalas de tempo de picossegundos. Embora essa ideia tenha sido demonstrada por alguns membros da mesma equipe em um trabalho anterior, Espera-se que as versões quânticas desse efeito tenham sensibilidade aumentada. Contudo, aproveitar os efeitos quânticos e alcançar a detecção de alta resolução na presença de interações potencialmente complicadas requer controle e leitura do estado quântico de elétrons únicos. A questão abordada neste novo trabalho é como sondar o estado dos elétrons emitidos pela bomba.
Sondas seletivas de energia de elétrons
Nos dispositivos usados aqui, os elétrons são emitidos com energia relativamente alta, cerca de 100 meV mais alto do que quaisquer outros elétrons no sistema, viajando através de um canal onde outros elétrons foram esgotados.
O atraso de tempo entre cada elétron (3,6 nanossegundos) também é maior do que a distribuição do tempo de chegada de cada elétron (apenas ~ 10 picossegundos de duração), de modo que cada elétron é um tanto isolado de quaisquer outros elétrons de condução. Uma consequência dessa natureza solitária é que qualquer sonda que requeira a presença de quaisquer outros elétrons, como outros pesquisadores usaram para fontes de elétrons de baixa energia, não é viável.
Em vez disso, essa equipe usou o controle de alta velocidade de uma barreira colocada no caminho dos elétrons. Isso é usado para bloquear seletivamente a transmissão, enquanto mede a probabilidade de transmissão através da corrente transmitida.
Isso fornece informações suficientes para o mapeamento tomográfico da energia do elétron, distribuição de tempo e uma visualização poderosa da forma eletrônica em coordenadas de energia-tempo.
Aproximando-se do limite quântico
As distribuições medidas foram encontradas concentradas em uma pequena forma de lente cujo ângulo é definido pela velocidade de ejeção do elétron. Isso fornece uma maneira de moldar a distribuição usando controles experimentais. Os autores também consideraram como é possível chegar perto da imprecisão quântica intrínseca (imposta pelo princípio da incerteza de Heisenberg) nesses dispositivos. A transmissão limitada quântica dos elétrons permitiria o desenvolvimento de dispositivos mais sofisticados, como interferômetros de elétrons quentes que poderiam atuar como sensores. Embora os experimentos atuais estejam operando fora deste regime, a dinâmica impressa de ejeção de elétrons é clara, e o trabalho teórico sugere que as informações sobre o estado quântico do elétron devem entrar em foco em experimentos futuros.
Jonathan Fletcher, Cientista de Pesquisa Superior, O Laboratório Físico Nacional (NPL) diz:"Quando você está trabalhando com os padrões atuais, pode brincar com as pessoas que seu trabalho é contar elétrons. Agora estamos ampliando o estado quântico desses elétrons, acho que é mais como se estivéssemos sentindo sua forma de alguma forma. Isso é importante porque é o que define a resolução em aplicativos de detecção, e nos fala sobre a viabilidade de usar esses elétrons em circuitos mais sofisticados. "
