Контролируемая по времени одноэлектронная эмиссия волнового пакета в твердотельной структуре
Реализация аналогичных экспериментов для электронов в твердых телах и, в частности, в полупроводниковых гетероструктурах требует одноэлектронных источников с контролируемыми энергией электрона и моментом эмиссии. Данная задача усложняется тем, что в твердом теле электроны постоянно испытывают столкновения. В [1] авторы описывают реализацию эмиссии пакета электронов с высокой энергией, что позволяет выделить их на фоне остальных электронов в полупроводнике. Точно измеряя время движения таких электронов через микрометровый образец, авторы обнаружили, что данные электроны могут двигаться без потери энергии.
На поверхности полупроводника авторы создали структуру, содержащую набор металлических электродов, окружающих небольшой круг из материала полупроводника. Приложение достаточно сильного отрицательного напряжения к электродам запирает электрон внутри диска за счет созданного потенциального барьера. Такой “квантовый дот” может удерживать лишь несколько электронов, а понижение барьера с одной стороны с микроволновой частотой освобождает один электрон с заданной энергией за каждый период колебания барьера. Используя дот размером в несколько нанометров, авторы сгенерировали электроны с энергией, в тысячи раз большей, чем характерная энергия термических возбуждений электронов (эксперимент проводился при температуре около 0,3 К).
На отдалении 3х микрометров с помощью другого электрода авторы реализовали осциллирующий потенциальный барьер. Каждый выпущенный электрон, достигший данного барьера с достаточной для его преодоления энергией, давал импульс на детектор. Таким образом, на детекторе регистрировался устойчивый ток, показывающий среднее число электронов, регистрируемых за секунду. Данный ток измерялся для различных амплитуд и относительных фаз двух осциллирующих барьеров.
Обнаружено, что в присутствии магнитного поля 12 Тл, когда ток протекает вдоль границы образца, абсолютное большинство электронов сохраняют свою энергию на пути до удалённого барьера, тогда как при поле 6 Тл более половины электронов теряют энергию.
В экспериментах удалось достичь высокой точности контроля момента испускания электрона с разбросом не более 80 пикосекунд от периода к периоду. Не смотря на то, что высокоэнергетические электроны не проявляют долгоживущей квантовой когерентности, отсутствие потерь энергии является важным шагом в исследовании одноэлектронного транспорта в кристаллических структурах.
Высокоэнергетические электроны (синий), излучаемые удаленным источником, преодолевают изменяющийся во времени потенциальный барьер (на первом плане), если барьер является достаточно низким, когда они приходят.
[1] J. D. Fletcher, P. See, H. Howe, M. Pepper, S. P. Giblin, J. P. Griffiths, G. A. C. Jones, I. Farrer, D. A. Ritchie, T. J. B. M. Janssen, and M. Kataoka, “Clock-Controlled Emission of Single-Electron Wave Packets in a Solid-State Circuit”, Phys. Rev. Lett. 111, 216807 (2013).