Сверхточный метод детектирования отдельных электронов станет важным элементом будущих квантовых технологий.
Физики научились обнаруживать одиночные электроны за несколько триллионных долей секунды — и это может стать ключевым шагом в создании нового поколения квантовых электронных устройств.
В обычных электронных схемах движется множество электронов, но взаимодействия между ними зачастую ухудшают работу каскадов. Можно ли контролировать электроны настолько точно, чтобы запускать их в работу поодиночке? Ученые из Национальной физической лаборатории (NPL) в Великобритании и их корейские коллеги приблизились к этой цели, разработав прецизионный метод детектирования электронов. Результаты экспериментов увидели свет в Physical Review Letters.
Исследователи ввели два электрона в тонкий слой полупроводника арсенида галлия в двух разных точках. Заряженные частицы начали движение друг к другу. Когда их траектории достаточно сблизились, электрическое отталкивание между электронами изменило их пути, отклонив их друг от друга. Исследователи отследили один из электронов и использовали это отклонение, чтобы зафиксировать присутствие второго. Им удалось обнаружить его в течение 6 триллионных долей секунды после взаимодействия — примерно в 100 раз быстрее, чем в предыдущих опытах.
«Наш эксперимент можно рассматривать как самый маленький в мире детектор: электрон, обнаруживающий самый маленький в мире объект — другой электрон», — говорит Масая Катаока из NPL.
Взаимодействия между электронами могут завершаться за несколько триллионных долей секунды, объясняет его коллега Джон Флетчер. Теперь, когда ученые могут работать в таком масштабе времени, они смогут изучать, что именно происходит между электронами внутри устройств, и использовать эти знания для разработки новых типов электроники.
Эта работа может стать важным шагом в создании нового поколения электроники, основанной на управлении одиночными быстрыми электронами, надеется квантовый физик Вячеслав Кащеев из Латвийского университета. По его словам, электрон — это фундаментально квантовая частица, а значит, будущие устройства смогут напрямую использовать его квантовые свойства, подобно тем, что уже применяются в квантовых вычислениях и коммуникациях.
Устройства на основе одиночных электронов смогут выполнять некоторые задачи, аналогичные квантовым устройствам на основе одиночных фотонов, но при этом будут гораздо компактнее. По мнению Кристиана Флиндта из Университета Аалто в Финляндии, такие технологии можно будет даже интегрировать в микросхемы, и подобные детекторы станут необходимым строительным блоком для всех этих потенциальных применений.
Результаты исследования также могут углубить фундаментальные представления о природе электрического тока, уверен профессор Рольф Хауг из Ганноверского университета Лейбница. Совершенствование использовавшихся в опытах «электронных насосов» может улучшить современный стандарт определения единицы силы тока.