В Лаборатории им. Кавендиша Кембриджского университета была разработана методика пересылки одиночных электронов на большие (микрометровые) расстояния.Такая технология может пригодиться при создании одноэлектронных схем, состоящих из квантовых точек. Уже опробованный физиками метод передачи отдельных носителей заряда — туннелирование между соседними квантовыми точками — работает достаточно надёжно, но для дистанций, длина которых превышает несколько сотен нанометров, не подходят ни туннелирование, ни свободное распространение электронов.
В новых опытах две квантовые точки, соединённые каналом, были разнесены на четыре микрометра. Точки создавались традиционным способом, на границе раздела двух полупроводниковых материалов (арсенида галлия GaAs и арсенида алюминия-галлия AlGaAs). В изготовленных для экспериментов структурах такого типа электроны сосредотачиваются у гетероперехода и образуют двумерный газ.
Работой квантовых точек управляли поверхностные электроды, при подаче отрицательного напряжения на которые слой двумерного электронного газа обеднялся. Величины напряжений подбирались с таким расчётом, чтобы потенциал системы находился над уровнем энергии Ферми, и в тепловом равновесии точки и канал не содержали электронов. Снимок опытной схемы, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа. LQD и RQD — левая и правая квантовые точки с подведёнными к ним управляющими электродами. Слева и справа расположены излучатели, на которые подаются микроволновые (RF) импульсы. (Иллюстрация из журнала Nature.)
Отдельный электрон в одной из квантовых точек авторы также подготавливали к передаче с помощью поверхностных электродов. Саму передачу выполняла потенциальная волна, которая захватывала носитель заряда и доставляла его к месту назначения за 1,4 нс. Необходимая движущаяся модуляция потенциала создаётся в пьезоэлектрическом материале вроде GaAs при распространении поверхностных акустических волн; зная об этом, учёные подавали на излучатели, расположенные в некотором отдалении от квантовых точек, СВЧ-импульсы, рождающие искомые акустические волны.
Заряд в каждой из точек контролировался по его влиянию на проводимость левого и правого детекторов, обозначенных на рисунке выше. Поскольку излучатели находились по обеим сторонам устройства, один электрон можно было многократно пересылать от одной точки к другой, отбивая его, как теннисный мяч. В самом удачном своём опыте физики задержали электрон «в игре» на время, соответствующее подаче 60 с лишним импульсов на излучатели; другими словами, частица преодолела дистанцию между точками более 60 раз подряд. Несложно рассчитать, что электрон успел пройти расстояние, примерно равное 0,25 мм.
По материалам: