Detecció de moviment d'electrons a escala de picosegons

L'electrònica quàntica consisteix en la generació i manipulació d'estats quàntics codificats en els graus de llibertat d'un dispositiu conductor. En el cas de petits sistemes tancats com són els punts quàntics, els graus de llibertat orbitals es poden utilitzar per a codificar bits elementals d'informació quàntica. No obstant això, les escales temporals del moviment dels electrons són molt més petites que la resolució aconseguida en mesures estàndard electròniques, sent difícil monitorar els temps involucrats en el moviment electrònic dins de dispositius amb una grandària per sota del micròmetre. Per a il·lustrar aquest problema, basta dir que la dinàmica interna d'aquesta mena de dispositius sol estar per sobre dels 1000 GHz (10^12 oscil·lacions per segon), així que l'escala resultant són els picosegons, molt per sobre dels dispositius electrònics de mesura convencionals, la resolució estàndard de la qual es troba sobre els 10 GHz.

Un equip internacional d'investigadors, entre els quals s'inclou un investigador de l’IFISC (UIB-CSIC), ha publicat un article en la prestigiosa revista Nature Nanotechnology que aborda el repte d'aconseguir la resolució de picosegons sense dependre del límit habitual en l'amplada de banda de les tècniques tradicionals. Van proposar un esquema de monitoratge que utilitza un estat de ressonància quàntica-mecànica format dins d'un punt quàntic. Els diferents nivells de ressonància vénen se solen explotar en el camp de l'espectroscòpia de punts quàntics en el domini de l'energia, ja que l'electró només pot escapar d'ells si la seva energia coincideix amb l'energia del nivell de ressonància. Utilitzant un voltatge dependent del temps que desplaça el potencial del punt quàntic, la resolució en nivells d'energia es converteix en un temps d'interacció, la mesura de la qual es pot realitzar sense limitacions en l'amplada de banda. Els autors van comprovar experimentalment l'esquema proposat, utilitzant un punt quàntic dinàmic format en un nanocable de silici. A causa de la possibilitat d'ajustar dinàmicament el potencial del punt quàntic, l'electró es carrega en una superposició dels dos primers nivells orbitals, aconseguint així que oscil·li periòdicament entre els costats esquerre i dret del dispositiu. A continuació, el moviment oscil·latori es mostreja en el temps, utilitzant un nivell de ressonància estàtica situat en una barrera al costat dret del dispositiu i generat a partir d'una interfície de silici. En mesurar el corrent a través del nivell de ressonància generada en un temps ben definit, el moviment oscil·latori es detecta amb una resolució temporal de picosegons, un assoliment sense precedents.

La capacitat de resolució aconseguida en l'estudi de visualitzar el moviment electrònic constitueix un nou recurs per a entendre les dinàmiques de no-equilibri en dispositius conductors. Entre les futures aplicacions que podria tenir aquest esquema s'inclouen la codificació d'informació en les funcions d'ona electròniques dins de circuits elèctrics o la possibilitat de sensors de camp electromagnètic d'alta resolució i alta velocitat.

Yamahata, G., Ryu, S., Johnson, N. et al. Picosecond coherent electron motion in a silicon single-electron source. Nat. Nanotechnol. 14, 1019–1023 (2019) doi: 10.1038/s41565-019-0563-2