Elektronenbotser op een chip geverifieerd door drie onafhankelijke onderzoeksteams

Kwantumelektronica belooft aanzienlijke vooruitgang op het gebied van ultragevoelige metingen en kwantuminformatieverwerking. In nano-elektronische circuits kan één elektron worden gebruikt om de baan van een ander elektron nauwkeurig te wijzigen door hun onderlinge Coulomb-interactie.

Dit nieuwe fundamentele circuitelement is nu gedemonstreerd door drie onafhankelijke onderzoeksteams, wiens complementaire ontdekkingen in het tijdschrift zijn gepubliceerd Natuur Nanotechnologie.

Elektrische stroom is een stroom van geladen elementaire deeltjes. In halfgeleiderapparaten bewegen ballistische elektronen met hoge snelheden, waardoor het moeilijk is om ze individueel aan te spreken. Een gecontroleerde botsing van individuele elektronen kan de tijdresolutie bieden die nodig is voor het ene elektron om het andere te ondervragen. Het werkingsprincipe van zo’n elektronenbotsingscircuit is vergelijkbaar met het raken van een snel bewegend projectiel met een ander goed getimed schot. De uitdaging is daarom om twee individuele elektronen nauwkeurig te synchroniseren om hun interactie te benutten.

Hiervoor hebben wetenschappers van PTB nu een deeltjesversneller op nanoschaal ontwikkeld op een halfgeleiderchip. Zo’n apparaat integreert twee enkelvoudige elektronenbronnen die kunnen worden getriggerd tot picoseconde nauwkeurigheid. Single-elektronendetectoren registreren elk resultaat van de botsing.

Een elektronenpaar wordt gegenereerd door twee gescheiden bronnen en op elkaar kruisende banen geplaatst zodat er een botsing kan ontstaan. Als de bronnen precies gesynchroniseerd zijn, zal de interactie tussen de elektronen van het paar bepalen welk uiteindelijke signaalpad door welk individueel deeltje zal worden bereikt.

Ondanks de beknoptheid van de ontmoeting, maakten de theoretische modellen die aan de Universiteit van Letland werden ontwikkeld met input van de Technische Universiteit van Braunschweig het mogelijk om elektronentrajecten af ​​te leiden uit de experimentele gegevens en manieren te bedenken om de interactie tussen twee elektronen te regelen voor toekomstige toepassingen.

Deze demonstratie van tijdsopgeloste interactie laat niet alleen zien dat zo’n vliegend elektron kan worden gebruikt als een ultrasnelle sensor of schakelaar, het bewijst ook een mechanisme om kwantumverstrengeling te genereren – een belangrijk onderdeel van kwantumcomputing.

Deze resultaten verschijnen samen met de consistente bevindingen van onderzoeksteams onder leiding van NEEL en NPL en zijn gepubliceerd en ingeleid door een “News & Views”-commentaar van Fredrik Brange en Christian Flindt in Natuur Nanotechnologie.