Elektrontomografi med hjälp av en modulerad barriär. a En okänd Wigner -distribution W (E, t) av en periodisk elektronkällelektron kan filtreras med användning av en linjär-i-tid tröskelenergibarriär inställd på höjden ET. Den överförda och reflekterade delen, märkt PT och 1 − PT resulterar i proportionella överförda och reflekterade strömmar. En marginell projicering av denna fördelning i energin, tidsplan kan mätas genom att fixera ramphastigheten för barriären βE, som sätter ET, flytta sedan tröskelgränsen längs axeln S i steg dS, medan man mäter de resulterande förändringarna i överförd ström. Att upprepa experimentet med olika ramphastigheter (som ställer in vinkeln θ) ger tillräckligt med information för en numerisk rekonstruktion av fördelningen. b Falskfärgsskannande elektronmikrograf av enhet identisk med den uppmätta (se metoder för detaljer). Elektronpumpen (vänster, markerad grön) injicerar pumpström Ip. Barriären (höger, markerad röd) blockerar selektivt elektroner som ger överförd ström IT≤IP. Vägen mellan dessa är markerad med en linje. Portarna längs banan (styrd av VG4) tömmer den underliggande elektrongasen men blockerar inte högenergie -elektronerna. c Typiska tidsberoende styrspänningar för pump VG1 och sondbarriär VG3 (var och en har en DC-förskjutning-se metoder). d Elektronpotential U(x) längs elektronbanan mellan källan och sondbarriären i tre representativa steg för pumpning (vänster) och blockering (höger). Kreditera: Naturkommunikation
Forskare vid National Physical Laboratory (NPL), arbetar med Lettlands universitet, universitetet i Berlin, Cambridge University och University College London, har utvecklat en tomografisk metod för att visualisera tillståndet för ensamma elektroner som avges från elektronpumpar.
Elektronpumpar är halvledarenheter som fångar upp och avger enstaka elektroner 'on-demand'. Styrningen av enstaka elektroner är en potentiellt användbar teknik för framtida kvantteknologiplattformar, stödjer precisionselektrisk mätning, höghastighetsavkänning, och kvantberäkning/kommunikation.
Den nya metoden möjliggör kartläggning av elektronens form i energitidsplanet och kan avslöja elektronens kvanttillstånd. Detta skulle hjälpa utvecklingen av kvantavkänningssystem eller möjliggöra kodning av kvantinformation till elektronstatus.
Enstaka elektronpumpar:överföringsfri överföring
Det är ofta bekvämt att tänka på elektricitet som flödet av en kontinuerlig vätska och ignorera dess granularitet. Även små elektriska strömmar i mikroampereområdet motsvarar många biljoner (1012) elektroner per sekund och rörelsen för enskilda elektroner är ofta inte uppenbar. Vanligtvis, elektricitetens inneboende "klumpighet" visar sig bara i den ovälkomna formen av bakgrundsljud ("skott") i elektroniska komponenter.
Utvecklingen av nanometerskalanordningar i högkonstruerade metall-/halvledarstrukturer har gjort det möjligt för forskare att ta kontroll över enstaka elektroneffekter för användbara ändamål. Enkel elektronenheter kan användas som sensorer för elektriska fält, kryogena termometrar, och som byggstenar för vissa typer av "qubit".
Den senaste omdefinieringen av SI ampere gör det möjligt att använda enstaka elektronpumpar som primära strömstandarder, skapa en känd ström en elektron i taget.
En annan användning av denna "ultimativa strömkälla" är att injicera enstaka elektroner i vågledaren som kan existera längs kanten av en halvledare i ett magnetfält. Dessa elektroner kan resa mycket långa sträckor (tiotals mikrometer) utan att spridas. Denna effekt ger en plattform som ofta löst beskrivs som "elektronkvantoptik, " i analogi med optiska system vars kvantbeteende är väl utforskat. Den breda motivationen för att "byta fotoner mot elektroner" är att utveckla solid-state quantum device infrastrukturer med möjliga fördelar av skalbarhet och enkel integration.
En tidig tillämpning kan vara avkänning av tidsberoende signaler med hög effektiv bandbredd, använder det faktum att enstaka ballistiska elektroner interagerar med kretskomponenter på tidsskalor för picosekunder. Även om denna idé har demonstrerats av några av samma team i ett tidigare arbete, kvantversioner av denna effekt förväntas ha ökad känslighet. Dock, att utnyttja kvanteffekter och uppnå högupplöst avkänning i närvaro av potentiellt komplicerade interaktioner kräver kontroll och avläsning av kvanttillståndet för enstaka elektroner. Denna fråga som tas upp i detta nya arbete är hur man undersöker tillståndet för elektroner som emitteras från pumpen.
Energiselektiva sonder för elektroner
I de enheter som används här, elektronerna avges med relativt hög energi, cirka 100 meV högre än någon annan elektron i systemet, färdas genom en kanal där andra elektroner har tömts.
Tidsfördröjningen mellan varje elektron (3,6 nanosekunder) är också större än ankomsttidsfördelningen för varje elektron (endast ~10 pikosekunder lång) så varje elektron är något isolerad från alla andra ledningselektroner. En konsekvens av denna ensamma natur är att varje sond som kräver närvaron av andra elektroner, som andra forskare har använt för elektroner med låg energi, är inte livskraftigt.
Istället använde detta team höghastighetskontroll av en barriär placerad i elektronernas väg. Detta används för att selektivt blockera överföring, medan överföringssannolikheten mäts via den överförda strömmen.
Detta ger tillräckligt med information för tomografisk kartläggning av elektronenergin, tidsfördelning och en kraftfull visualisering av den elektroniska formen i energitidskoordinater.
Närmar sig kvantgränsen
De uppmätta fördelningarna visade sig vara koncentrerade till en liten linsform vars vinkel bestäms av elektronutstötningshastighet. Detta ger ett sätt att forma fördelningen med hjälp av experimentella kontroller. Författarna övervägde också hur möjligt det är att komma nära den inneboende kvantfuzziness (påtvingad av Heisenberg-osäkerhetsprincipen) i dessa enheter. Kvantbegränsad överföring av elektronerna skulle möjliggöra utveckling av mer sofistikerade enheter, som heta elektroninterferometrar som kan fungera som sensorer. Medan de nuvarande experimenten fungerar precis utanför denna regim, den präglade dynamiken för elektronejektion är tydlig, och teoretiskt arbete tyder på att information om elektronens kvanttillstånd ska komma i fokus i framtida experiment.
Jonathan Fletcher, Högre forskare, National Physical Laboratory (NPL) säger, "När du arbetar med nuvarande standarder kan du skämta med människor om att ditt jobb är att räkna elektroner. Nu zoomar vi in på kvanttillståndet för dessa elektroner. Jag antar att det är mer som att vi känner deras form på något sätt. Detta är viktigt eftersom det är vad som bestämmer upplösningen i avkänningsapplikationer, och det berättar för oss om lönsamheten att använda dessa elektroner i mer sofistikerade kretsar."
