Des chercheurs de l'Institut de technologie de Tokyo en collaboration avec l'Université de Cambridge ont étudié l'interaction entre les champs de micro-ondes et les états de défauts électroniques à l'intérieur de la couche d'oxyde des transistors à effet de champ à des températures cryogéniques. Il a été constaté que la physique de tels états de défaut est cohérente avec les systèmes pilotés à deux niveaux possédant de longs temps de cohérence, et que leur dynamique induite peut être contrôlée de manière cohérente et indépendante.

En raison de la nature de ce travail, on espère que de tels résultats contribueront au domaine de la dynamique vitreuse électronique corrélée en physique de la matière condensée; mieux comprendre les effets du bruit de charge dans les dispositifs mésoscopiques ; et permettre de nouvelles études pour développer de nouvelles technologies dans le domaine important du traitement de l'information quantique à base de semi-conducteurs.

Les états de défaut agissant comme des pièges à électrons dans les interfaces oxyde-semi-conducteur sont généralement des sources de bruit et ont tendance à réduire les performances des dispositifs nanométriques. De tels états de défaut peuvent modifier l'environnement électrostatique vécu par les électrons conducteurs, les forçant à percoler à travers des voies de type nanofil à des températures suffisamment basses. Ceci permet effectivement un mécanisme de détection de l'occupation de tels sites pièges par le courant mesuré dans le canal de conduction. Un tel effet est normalement observé sous forme de bruit télégraphique aléatoire (RTN), qui correspond à l'émission et à la capture incohérentes d'électrons dans les états pièges, médiée par le fond thermique.

Motivé par les grands changements de conductivité causés par le RTN dans les transistors à effet de champ (FET), scientifiques du Centre de recherche en nanoélectronique quantique, Institut de Recherche Innovante (Tokyo Tech), le Center for Advanced Photonics and Electronics (Université de Cambridge), et le Laboratoire Cavendish (Université de Cambridge) ont étudié les mécanismes possibles dans lesquels l'occupation des états de défauts pourrait être à la fois observée et médiée dynamiquement au moyen de champs micro-ondes cohérents. Travailler à des températures cryogéniques, il a été constaté que la dynamique de ces états de piège est cohérente avec les systèmes à deux niveaux (TLS), dans laquelle les niveaux d'énergie sont discrets et seuls les deux plus bas sont accessibles dans l'énergie du signal d'excitation. Un TLS peut représenter la base d'une implémentation de bits quantiques.

A partir de la signature spectroscopique hyperfréquence de la réponse du FET utilisé dans ce travail, affichant un grand nombre de résonances factorielles de haute qualité (Q> 10000), les temps de cohérence extraits observés dans cette étude sont considérablement plus longs, de près de trois ordres de grandeur, que d'autres implémentations de TLS basées sur les défauts. La réalisation d'expériences à impulsion unique permet d'étudier la dynamique des électrons piégés, qui se sont avérés ne pas dépendre de la chimie du diélectrique utilisé. Et en utilisant un protocole Ramsey standard, un contrôle cohérent a été obtenu. Par ailleurs, employant une équation maîtresse optique qui capture la dynamique des électrons piégés et un modèle physique basé sur la théorie de la réponse linéaire, il a été possible de reproduire le comportement expérimental observé dans les expériences.

Par ailleurs, il a été constaté que les états de défaut sont relativement bien protégés contre les phonons, expliquant les longs temps de décohérence mesurés, et que la principale source de contre-action pourrait être liée aux interactions coulombiennes à longue portée avec d'autres charges. Finalement, puisque chaque résonance peut être adressée indépendamment dans l'espace fréquentiel, la large distribution des temps de cohérence longs observés, et la densité quasi-uniforme d'états mesurés, on espère que ce travail pourrait motiver la possibilité d'utiliser des systèmes tels que des mémoires quantiques ou des bits quantiques dans les futures implémentations de traitement de l'information quantique.