在納米陷阱中檢測(cè)到超快量子運(yùn)動(dòng)

KAIST研究人員報(bào)告了在硅晶體管中檢測(cè)到皮秒電子運(yùn)動(dòng)的情況。這項(xiàng)研究提出了一種新的協(xié)議，用于以皮秒分辨率的有效時(shí)間分辨方式測(cè)量超快電子動(dòng)力學(xué)。該檢測(cè)是與日本的日本電報(bào)電話公司(NTT)和英國(guó)的國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)合作完成的，這是我們所知的第一份報(bào)告。

當(dāng)電子被捕獲在固體中的納米級(jí)陷阱中時(shí)，其量子機(jī)械波函數(shù)會(huì)在亞太赫茲頻率下表現(xiàn)出空間振蕩。時(shí)間分辨的這種皮秒動(dòng)力學(xué)分析很重要，因?yàn)檫@種檢測(cè)提供了一種理解納米電子學(xué)中電子量子行為的方式。它還適用于量子信息技術(shù)，例如量子計(jì)算的超快速量子位操作和高靈敏度電磁場(chǎng)傳感。但是，由于亞太赫茲尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了最新的帶寬測(cè)量工具，因此檢測(cè)皮秒動(dòng)態(tài)變化一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。

由沉興善教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)KAIST團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種在納米陷阱中超快電子動(dòng)力學(xué)的理論，并提出了一種檢測(cè)動(dòng)力學(xué)的方案，該方案利用了在陷阱旁邊形成的量子力學(xué)共振態(tài)。電子動(dòng)力學(xué)和諧振狀態(tài)之間的耦合以皮秒為單位進(jìn)行開和關(guān)，以便在耦合打開時(shí)通過生成的電流讀出有關(guān)動(dòng)力學(xué)的信息。

NTT與NPL一起實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)方案，并將其應(yīng)用于硅晶體管中形成的納米陷阱中的電子運(yùn)動(dòng)。通過控制靜電門將單個(gè)電子捕獲到陷阱中，并在陷阱的勢(shì)壘中形成諧振狀態(tài)。

通過在皮秒內(nèi)將共振能量與電子能量對(duì)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)電子與共振態(tài)之間耦合的接通和斷開。僅在幾個(gè)開爾文度下測(cè)量了從陷阱通過共振態(tài)到電極的電流，揭示了陷阱內(nèi)部250 GHz頻率電子的空間量子相干振蕩。

Sim教授說：“這項(xiàng)工作提出了一種利用量子共振檢測(cè)皮秒電子運(yùn)動(dòng)的方案。它將用于動(dòng)態(tài)控制量子機(jī)械電子波，以實(shí)現(xiàn)納米電子，量子感測(cè)和量子信息中的各種目的。 ”

這項(xiàng)工作于11月4日在線發(fā)表在《自然納米技術(shù)》上。韓國(guó)國(guó)家研究基金會(huì)通過SRC凝聚態(tài)量子相干中心提供了部分支持。