KAIST-forskare har rapporterat detektering av en pikosekundelektronrörelse i en kiseltransistor. Denna studie har presenterat ett nytt protokoll för att mäta ultrasnabb elektronisk dynamik på ett effektivt tidsupplöst sätt med pikosekundupplösning. Detekteringen gjordes i samarbete med Nippon Telegraph and Telephone Corp. (NTT) i Japan och National Physical Laboratory (NPL) i Storbritannien och är den första rapporten så vitt vi vet.
När en elektron fångas i en fälla i nanoskala i fasta ämnen, dess kvantmekaniska vågfunktion kan uppvisa rumslig oscillation vid sub-terahertz-frekvenser. Tidsupplöst detektering av sådan pikosekunddynamik hos kvantvågor är viktig, eftersom detektionen ger ett sätt att förstå elektronernas kvantbeteende i nanoelektronik. Det gäller även kvantinformationstekniker som ultrasnabba kvantbitars drift av kvantberäkningar och högkänslig elektromagnetisk fältavkänning. Dock, att upptäcka pikosekunddynamik har varit en utmaning eftersom sub-terahertz-skalan är långt bortom de senaste verktygen för bandbreddsmätning.
Ett KAIST-team ledd av professor Heung-Sun Sim utvecklade en teori om ultrasnabb elektrondynamik i en fälla i nanoskala, och föreslog ett schema för att detektera dynamiken, som använder ett kvantmekaniskt resonanttillstånd bildat bredvid fällan. Kopplingen mellan elektrondynamiken och resonanstillståndet slås på och av med en pikosekund så att information om dynamiken läses ut på den elektriska ström som genereras när kopplingen slås på.
NTT insåg, tillsammans med NPL, detektionsschemat och applicerade det på elektronrörelser i en nanoskala fälla bildad i en kiseltransistor. En enda elektron fångades i fällan genom att kontrollera elektrostatiska grindar, och ett resonanttillstånd bildades i fällans potentiella barriär.
På- och avkopplingen av kopplingen mellan elektronen och resonanstillståndet uppnåddes genom att inrikta resonansenergin med elektronens energi inom en pikosekund. En elektrisk ström från fällan genom resonanstillståndet till en elektrod mättes endast vid några få Kelvin-grader, avslöjar den rumsliga kvantkoherenta oscillationen av elektronen med 250 GHz-frekvensen inuti fällan.
Professor Sim sa, "Detta arbete föreslår ett schema för att detektera pikosekundelektronrörelser i submikronskalor genom att använda kvantresonans. Det kommer att vara användbart vid dynamisk kontroll av kvantmekaniska elektronvågor för olika ändamål inom nanoelektronik, kvantavkänning, och kvantinformation."
Detta arbete publicerades online på Naturens nanoteknik den 4 november. Det stöddes delvis av Korea National Research Foundation genom SRC Center for Quantum Coherence in Condensed Matter.
