Forskare vid Tokyo Institute of Technology i samarbete med University of Cambridge har studerat interaktionen mellan mikrovågsfält och elektroniska defekttillstånd inuti oxidskiktet av fälteffekttransistorer vid kryogena temperaturer. Det har visat sig att fysiken för sådana defekttillstånd överensstämmer med drivna tvånivåsystem som har långa koherenstider, och att deras inducerade dynamik kan kontrolleras koherent och oberoende.

På grund av detta arbetes karaktär, man hoppas att sådana resultat kommer att bidra till fältet för korrelerad elektronisk glasartad dynamik inom den kondenserade materiens fysik; ge en bättre förståelse av laddningsbruseffekter i mesoskopiska enheter; och möjliggöra nya studier för att utveckla nya teknologier inom det viktiga området halvledarbaserad kvantinformationsbehandling.

Defekttillstånd som fungerar som elektronfällor i oxid-halvledargränssnitt är vanligtvis källor till brus och tenderar att minska prestandan hos enheter i nanoskala. Sådana defekttillstånd kan modifiera den elektrostatiska miljön som upplevs av ledande elektroner, tvingar dem att sippra genom nanotrådliknande vägar vid tillräckligt låga temperaturer. Detta tillåter effektivt en detekteringsmekanism för ockupationen av sådana fällplatser av strömmen som mäts i ledningskanalen. Sådan effekt observeras normalt som slumpmässigt telegrafbrus (RTN), vilket motsvarar den inkoherenta emissionen och fångsten av elektroner i fälltillstånden, medierad av den termiska bakgrunden.

Motiverad av de stora förändringarna i konduktiviteten som orsakas av RTN i fälteffekttransistorer (FET), forskare vid Quantum Nanoelectronics Research Center, Institutet för innovativ forskning (Tokyo Tech), Center for Advanced Photonics and Electronics (University of Cambridge), och Cavendish Laboratory (University of Cambridge) undersökte möjliga mekanismer där ockupationen av defekttillstånd kunde både observeras och dynamiskt förmedlas med hjälp av koherenta mikrovågsfält. Arbeta vid kryogena temperaturer, det visade sig att dynamiken i sådana fälltillstånd överensstämmer med tvånivåsystem (TLS), där energinivåerna är diskreta och endast de två lägsta är tillgängliga inom excitationssignalens energi. En TLS kan representera grunden för en kvantbitsimplementering.

Från den mikrovågsspektroskopiska signaturen av svaret från FET som används i detta arbete, visar ett stort antal högkvalitativa faktorresonanser (Q> 10 000), de extraherade koherenstiderna som observerats i denna studie är betydligt längre, med nästan tre storleksordningar, än andra defektbaserade implementeringar av TLS. Att utföra enkelpulsexperiment ger möjlighet att studera dynamiken hos de fångade elektronerna, som har visat sig inte bero på kemin hos det använda dielektrikumet. Och med ett standard Ramsey-protokoll, en sammanhängande kontroll uppnåddes. Vidare, använder en optisk masterekvation som fångar dynamiken hos de fångade elektronerna och en fysisk modell baserad på linjär svarsteori, det var möjligt att reproducera det experimentella beteendet som observerades i experimenten.

Vidare, det visade sig att defekta tillstånden är relativt väl skyddade mot fononer, förklara de långa uppmätta dekoherenstiderna, och att den huvudsakliga källan till bakåtverkan kan vara relaterad till långväga Coulombic interaktioner med andra laddningar. Till sist, eftersom varje resonans kan adresseras oberoende i frekvensutrymme, den breda fördelningen av långa koherenstider som observerats, och den kvasi-likformiga densiteten av uppmätta tillstånd, förhoppningen är att detta arbete skulle kunna motivera möjligheten att använda sådana system som kvantminnen eller kvantbitar i framtida implementeringar av kvantinformationsbehandling.