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Detektion ballistischer Elektronen in einem Einzelelektronenschaltkreis

03.12.2019

Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts SEQUOIA („Single-electron quantum optics for quantum-enhanced measurements“) wird in der PTB seit Mai 2018 an metrologischen Werkzeugen zur Charakterisierung des Quantenzustands einzelner Elektronen geforscht. Langfristiges Ziel dieser Arbeiten ist die Entwicklung räumlich und zeitlich hochauflösender Sensorik für die Messung elektrischer und magnetischer Felder.

 

 

In der hier vorgestellten Arbeit wurden das Einfangen und der Nachweis einzelner ballistischer Elektronen in einer Halbleiterschaltung demonstriert.

Halbleiterbasierte Einzelelektronenpumpen, die gezielt genau ein einzelnes Elektron in einen Schaltkreis einspeisen können, sowie Einzelelektronendetektoren werden an der PTB bereits seit Jahren im Hinblick auf Anwendungen in der Strommetrologie untersucht. Die laufenden Untersuchungen hatten das Ziel, jedes einzelne in einen Einzelelektronenschaltkreis eingespeiste Elektron am Ende des Schaltkreises auch einzeln zu detektieren. Dabei bestand die zusätzliche Herausforderung darin, dass das Elektron die Schaltung zunächst ballistisch, also ungestört von der Umgebung durchlaufen musste, bevor es anschließend zum Nachweis gezielt eingefangen werden konnte.

Dieser Prozess konnte nun erstmalig experimentell demonstriert werden. In dem in Bild 1 gezeigten Schaltkreis stellte dabei eine Einzelelektronenpumpe („EEP“, hellblau hervorgehoben) getaktet einzelne Elektronen mit definierter Energie bereit. Durch gezielte elektrostatische Manipulation des Systems (mittels der hellgrün hervorgehobenen Elektrode) konnten sich diese Elektronen über eine definierte Strecke ballistisch fortbewegen, bevor sie auf einer „Insel“ (der durch hellrot hervorgehobene Elektroden eingegrenzte Bereich) kontrolliert eingefangen wurden. Ihr zuverlässiger Nachweis erfolgte abschließend mit Hilfe eines seitlich angekoppelten Ladungsdetektors (hellgelb eingefärbt) mit Einzelladungsauflösung.

Diese Detektorschaltung für einzelne ballistische Elektronen erreichte eine Gesamt-Nachweiswahrscheinlichkeit von 99,6 % und stellt damit einen zuverlässigen Baustein für grundlegende Experimente im Bereich Einzelelektronentransport sowie für zukünftige Anwendungen in der elektrischen Quantenmetrologie dar.

 

 

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des zum Einfangen ballistischer Elektronen verwendeten Einzelelektronenschaltkreises

Bild 1: Eingefärbte, rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des zum Einfangen ballistischer Elektronen (als weiße Kreisscheiben skizziert) verwendeten Einzelelektronenschaltkreises