Detección de movimiento de electrones a escala de picosegundo

La electrónica cuántica consiste en la generación y manipulación de estados cuánticos codificados en los grados de libertad de un dispositivo conductor. En el caso de pequeños sistemas cerrados como son los puntos cuánticos, los grados de libertad orbitales se pueden utilizar para codificar bits elementales de información cuántica. Sin embargo, las escalas temporales del movimiento de los electrones son mucho más pequeñas que la resolución conseguida en medidas estándar electrónicas, siendo difícil monitorizar los tiempos involucrados en el movimiento electrónico dentro de dispositivos con un tamaño por debajo del micrómetro. Para ilustrar este problema, basta decir que la dinámica interna de este tipo de dispositivos suele estar por encima de los 1000 GHz (10¹² oscilaciones por segundo), así que la escala resultante es el picosegundo, muy por encima de los dispositivos electrónicos de medida convencionales, cuya resolución estándar se encuentra sobre los 10 GHz.

Un equipo internacional de investigadores, entre los que se incluye un investigador del IFISC (UIB-CSIC), ha publicado un artículo en la prestigiosa revista Nature Nanotechnology que aborda el reto de alcanzar la resolución de picosegundo sin depender del límite habitual en el ancho de banda de las técnicas tradicionales. Propusieron un esquema de monitorización que utiliza un estado de resonancia cuántica-mecánica formado dentro de un punto cuántico. Los distintos niveles de resonancia vienen se suelen explotar en el campo de la espectroscopia de puntos cuánticos en el dominio de la energía, ya que el electrón sólo puede escapar de ellos si su energía coincide con la energía del nivel de resonancia. Utilizando un voltaje dependiente del tiempo que desplaza el potencial del punto cuántico, la resolución en niveles de energía se convierte en un tiempo de interacción, cuya medida se puede realizar sin limitaciones en el ancho de banda. Los autores comprobaron experimentalmente el esquema propuesto, utilizando un punto cuántico dinámico formado en un nanocable de silicio. Debido a la posibilidad de ajustar dinámicamente el potencial del punto cuántico, el electrón se carga en una superposición de los dos primeros niveles orbitales, consiguiendo así que oscile periódicamente entre los lados izquierdo y derecho del dispositivo. A continuación, el movimiento oscilatorio se muestrea en el tiempo, utilizando un nivel de resonancia estática situado en una barrera al lado derecho del dispositivo y generado a partir de una interfaz de silicio. Al medir la corriente a través del nivel de resonancia generada en un tiempo bien definido, el movimiento oscilatorio se detecta con una resolución temporal de picosegundos, un logro sin precedentes.

La capacidad de resolución conseguida en el estudio de visualizar el movimiento electrónico constituye un nuevo recurso para entender las dinámicas de no-equilibrio en dispositivos conductores. Entre las futuras aplicaciones que podría tener este esquema se incluyen la codificación de información en las funciones de onda electrónicas dentro de circuitos eléctricos o la posibilidad de sensores de campo electromagnético de alta resolución y alta velocidad.

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