Schéma de tomographie électronique utilisant une barrière modulée. a Une distribution de Wigner inconnue W(E, t) d'une source d'électrons périodiques, l'électron peut être filtré à l'aide d'une barrière d'énergie seuil linéaire dans le temps fixée à la hauteur ET. La partie transmise et réfléchie, étiquetés PT et 1−PT donnent des courants transmis et réfléchis proportionnels. Une projection marginale de cette distribution dans l'énergie, le plan temporel peut être mesuré en fixant le taux de rampe de la barrière βE, qui définit ET, puis en déplaçant la frontière seuil le long de l'axe S par incréments dS, tout en mesurant les changements résultants du courant transmis. La répétition de l'expérience à différentes vitesses de rampe (qui fixe l'angle θ) donne suffisamment d'informations pour une reconstruction numérique de la distribution. b Micrographie électronique à balayage en fausses couleurs d'un appareil identique à celui mesuré (voir les méthodes pour plus de détails). La pompe à électrons (à gauche, surligné en vert) injecte le courant de pompe Ip. La barrière (à droite, surligné en rouge) bloque sélectivement les électrons donnant le courant transmis IT≤IP. Le chemin entre ceux-ci est indiqué par une ligne. Les portes le long du chemin (contrôlées par VG4) épuisent le gaz d'électrons sous-jacent mais ne bloquent pas les électrons de haute énergie. c Tensions de commande typiques en fonction du temps pour la pompe VG1 et la barrière de sonde VG3 (chacune a un décalage CC—voir méthodes). d Potentiel électronique U(x) le long du trajet électronique entre la source et la barrière de la sonde à trois étapes représentatives pour le pompage (à gauche) et le blocage (à droite). Crédit: Communication Nature
Scientifiques du Laboratoire national de physique (NPL), en collaboration avec l'Université de Lettonie, l'Université de Berlin, Université de Cambridge et University College de Londres, ont développé une méthode tomographique pour visualiser l'état des électrons solitaires émis par les pompes à électrons.
Les pompes à électrons sont des dispositifs semi-conducteurs qui piègent et émettent des électrons uniques « à la demande ». Le contrôle des électrons uniques est une technique potentiellement utile pour les futures plateformes technologiques quantiques, soutenir la métrologie électrique de précision, détection à grande vitesse, et calcul/communications quantiques.
La nouvelle méthode permet de cartographier la forme de l'électron dans le plan énergie-temps et peut révéler l'état quantique de l'électron. Cela aiderait au développement de schémas de détection quantique ou permettrait le codage d'informations quantiques sur l'état électronique.
Pompes à électrons simples :au-delà du transfert de charge
Il est souvent pratique de considérer l'électricité comme le flux d'un fluide continu et d'ignorer sa granularité. Même de petits courants électriques de l'ordre du microampère correspondent à plusieurs billions (1012) d'électrons par seconde et le mouvement des électrons individuels n'est souvent pas apparent. Typiquement, la "bosse" intrinsèque de l'électricité ne se révèle que sous la forme importune de bruit de fond ("coup de feu") dans les composants électroniques.
Le développement de dispositifs à l'échelle nanométrique dans des structures métalliques/semi-conductrices de haute technologie a permis aux scientifiques de prendre le contrôle des effets des électrons uniques à des fins utiles. Les dispositifs à électron unique peuvent être utilisés comme capteurs de champ électrique, thermomètres cryogéniques, et comme blocs de construction pour certains types de "qubit".
La redéfinition récente de l'ampère SI permet d'utiliser des pompes à électron unique comme étalons de courant primaires, créant un courant connu un électron à la fois.
Une autre utilisation de cette "source de courant ultime" consiste à injecter des électrons uniques dans le guide d'ondes qui peuvent exister le long du bord d'un semi-conducteur dans un champ magnétique. Ces électrons peuvent parcourir de très longues distances (des dizaines de micromètres) sans se disperser. Cet effet fournit une plate-forme qui est souvent vaguement décrite comme « l'optique quantique électronique, " par analogie avec les systèmes optiques dont le comportement quantique est bien exploré. La motivation générale pour " échanger des photons contre des électrons " est de développer des infrastructures de dispositifs quantiques à l'état solide avec des avantages possibles d'évolutivité et de facilité d'intégration.
Une première application pourrait être la détection de signaux dépendant du temps avec une bande passante efficace élevée, en utilisant le fait que les électrons balistiques uniques interagissent avec les composants du circuit sur des échelles de temps de la picoseconde. Bien que cette idée ait été démontrée par certains membres de la même équipe dans un travail antérieur, les versions quantiques de cet effet devraient avoir une sensibilité accrue. Cependant, l'exploitation des effets quantiques et la réalisation d'une détection à haute résolution en présence d'interactions potentiellement compliquées nécessitent le contrôle et la lecture de l'état quantique des électrons individuels. Cette question abordée dans ce nouveau travail est de savoir comment sonder l'état des électrons émis par la pompe.
Sondes sélectives d'énergie des électrons
Dans les appareils utilisés ici, les électrons sont émis avec une énergie relativement élevée, environ 100 meV plus élevé que tout autre électron du système, voyageant à travers un canal où d'autres électrons ont été épuisés.
Le délai entre chaque électron (3,6 nanosecondes) est également plus grand que la distribution du temps d'arrivée de chaque électron (seulement ~ 10 picosecondes de long) de sorte que chaque électron est quelque peu isolé de tout autre électron de conduction. Une conséquence de cette nature solitaire est que toute sonde nécessitant la présence d'autres électrons, comme d'autres chercheurs l'ont utilisé pour les sources d'électrons de faible énergie, n'est pas viable.
Au lieu de cela, cette équipe a utilisé le contrôle à grande vitesse d'une barrière placée sur le chemin des électrons. Ceci est utilisé pour bloquer sélectivement la transmission, tout en mesurant la probabilité de transmission via le courant transmis.
Cela fournit suffisamment d'informations pour la cartographie tomographique de l'énergie des électrons, distribution du temps et une visualisation puissante de la forme électronique en coordonnées énergie-temps.
L'approche de la limite quantique
Les distributions mesurées se sont avérées concentrées dans une petite forme de lentille dont l'angle est défini par la vitesse d'éjection des électrons. Cela donne un moyen de façonner la distribution en utilisant des contrôles expérimentaux. Les auteurs ont également examiné dans quelle mesure il est possible de se rapprocher du flou quantique intrinsèque (imposé par le principe d'incertitude de Heisenberg) dans ces dispositifs. La transmission limitée quantique des électrons permettrait le développement de dispositifs plus sophistiqués, comme des interféromètres à électrons chauds qui pourraient jouer le rôle de capteurs. Alors que les expériences actuelles fonctionnent juste en dehors de ce régime, la dynamique imprimée de l'éjection d'électrons est claire, et les travaux théoriques suggèrent que les informations sur l'état quantique de l'électron devraient être mises en évidence dans les expériences futures.
Jonathan Fletcher, Chercheur scientifique supérieur, Le Laboratoire national de physique (NPL) dit, "Lorsque vous travaillez sur les normes actuelles, vous pouvez plaisanter avec les gens en disant que votre travail consiste à compter les électrons. Maintenant, nous zoomons sur l'état quantique de ces électrons, je suppose que c'est plutôt comme si nous ressentions leur forme d'une manière ou d'une autre. C'est important parce que c'est ce qui définit la résolution dans les applications de détection, et cela nous renseigne sur la viabilité de l'utilisation de ces électrons dans des circuits plus sophistiqués."
