Les chercheurs du KAIST ont signalé la détection d'un mouvement d'électrons de la picoseconde dans un transistor au silicium. Cette étude a présenté un nouveau protocole pour mesurer la dynamique électronique ultrarapide d'une manière efficace résolue en temps de résolution picoseconde. La détection a été faite en collaboration avec Nippon Telegraph and Telephone Corp. (NTT) au Japon et National Physical Laboratory (NPL) au Royaume-Uni et constitue le premier rapport à notre connaissance.
Lorsqu'un électron est capturé dans un piège nanométrique dans les solides, sa fonction d'onde de mécanique quantique peut présenter une oscillation spatiale à des fréquences inférieures au térahertz. La détection résolue en temps de cette dynamique picoseconde des ondes quantiques est importante, car la détection fournit un moyen de comprendre le comportement quantique des électrons en nano-électronique. Elle s'applique également aux technologies de l'information quantique telles que le fonctionnement ultrarapide des bits quantiques de l'informatique quantique et la détection de champ électromagnétique à haute sensibilité. Cependant, détecter la dynamique de la picoseconde a été un défi car l'échelle sub-térahertz est bien au-delà des derniers outils de mesure de bande passante.
Une équipe KAIST dirigée par le professeur Heung-Sun Sim a développé une théorie de la dynamique des électrons ultrarapides dans un piège nanométrique, et a proposé un schéma de détection de la dynamique, qui utilise un état de résonance de mécanique quantique formé à côté du piège. Le couplage entre la dynamique des électrons et l'état de résonance est activé et désactivé à une picoseconde afin que les informations sur la dynamique soient lues sur le courant électrique généré lorsque le couplage est activé.
NTT a réalisé, avec NPL, le schéma de détection et l'a appliqué aux mouvements d'électrons dans un piège nanométrique formé dans un transistor en silicium. Un seul électron a été capturé dans le piège en contrôlant des portes électrostatiques, et un état de résonance s'est formé dans la barrière de potentiel du piège.
L'activation et la désactivation du couplage entre l'électron et l'état de résonance a été réalisée en alignant l'énergie de résonance avec l'énergie de l'électron en une picoseconde. Un courant électrique du piège à travers l'état de résonance à une électrode a été mesuré à seulement quelques degrés Kelvin, dévoilant l'oscillation spatiale cohérente quantique de l'électron avec une fréquence de 250 GHz à l'intérieur du piège.
Le professeur Sim a dit, "Ce travail suggère un schéma de détection des mouvements d'électrons picosecondes à des échelles submicroniques en utilisant la résonance quantique. Il sera utile dans le contrôle dynamique des ondes électroniques de la mécanique quantique à diverses fins en nano-électronique, détection quantique, et l'information quantique."
Ce travail a été publié en ligne sur Nature Nanotechnologie le 4 novembre. Il a été en partie soutenu par la Korea National Research Foundation via le SRC Center for Quantum Coherence in Condensed Matter.
