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Kontrollierte Kollision zweier Elektronen

Neuartige Quantenelektronik steuert zeitgenau die Wechselwirkung zwischen einzelnen Elektronen in einem Halbleiterchip

PTB-News 1.2024
15.01.2024
Besonders interessant für

Physikalische Grundlagenforschung

Quanten- und Nanotechnologie

Das gezielte Aufeinandertreffen einzelner Photonen oder Elektronen eröffnet eine empfindliche Messmethode, um deren gegenseitige Beeinflussung untersuchen und kontrollieren zu können. Durch diese Reduktion auf einzelne scharfe Signalimpulse lassen sich die Auflösung von Messungen verbessern und neue Bauteile für die Quanteninformationsverarbeitung schaffen. In nanostrukturierten Halbleiterschaltungen können zwei Elektronen einzeln auf sich kreuzenden Signalleitungen ballistisch geführt werden, um so ihre Wechselwirkung zur Steuerung oder Abtastung elektrischer Signale einzusetzen. Die grundlegende Funktion eines solchen nichtlinearen Schaltungselements wurde von drei unabhängigen Forscherteams, jeweils angeführt von NEEL (F), NPL (UK) und PTB, in unterschiedlichen, sich ergänzenden Realisierungen demonstriert.

Simulation der elektronischen Kollisionsschaltung: Zwei Elektronenquellen (S1, S2) senden zeitgleich ununterscheidbare Elektronen auf entgegenlaufenden Bahnen aus. Deren Bewegung im Potential eines elektronischen Strahlteilers kann aufgrund gegenseitiger Wechselwirkung genau gesteuert werden. Das Ergebnis wird von zwei Detektoren (D1, D2) erfasst, die die Ankunft eines einzelnen Elektrons feststellen können.

Elektrischen Strom auf der Basis einzelner Ladungsträger in elektrischen Schaltungen zu manipulieren und zu kontrollieren, stellt eine große Herausforderung dar, weil elektrische Impulse die Schaltung aufgrund der kleinen Strukturgrößen in sehr kurzen Zeitspannen durchqueren. Durch gezielte Kollision einzelner Elektronen in geeigneten Schaltungen kann der Elektronenstrom jedoch mit hoher Zeitauflösung abgetastet werden. Die Funktionsweise einer solchen Elektronenkollisionsschaltung ähnelt dem Versuch, ein sich schnell bewegendes Projektil mit einem weiteren Schuss zu treffen.

Zur Realisierung einer derartigen Schaltung hat die PTB einen Halbleiterchip entwickelt. Darauf integriert sind Elektronenquellen, die einzelne Elektronen kontrolliert auf der Zeitskala von Pikosekunden aussenden können, sowie Detektoren, die einzelne Elektronen erfassen können. Diese Komponenten sind Teil eines „Elektronikbaukastens“ für Schaltungen, in denen einzelne Elektronen, die sich ballistisch und getrennt von allen übrigen bewegen, gesteuert werden können. Überkreuzen sich die jeweiligen Pfade eines von zwei getrennten Quellen erzeugten Elektronenpaares in einer Kollisionsregion auf dem Chip, ist deren Wechselwirkung ausschlaggebend dafür, welches Elektron welchen der unterschiedlichen Signalausgänge erreicht. Die gleichzeitige Ankunft der Elektronen in der Kollisionsregion, die sogenannte Koinzidenz, und die Erfassung jedes einzelnen Elektrons nach dem Durchqueren der Schaltung, die Korrelation der „Klicks“ der Detektoren in den Signalausgängen, verleihen dieser Methode der Koinzidenzkorrelation eine hohe Genauigkeit und hohe zeitliche Auflösung.

Obwohl die Elektronen sich nur für einen sehr kurzen Moment begegnen, konnte die PTB in Zusammenarbeit mit der Universität Lettland auf diese Weise zeigen, dass einzelne ballistische Elektronen kontrolliert zu einer deutlichen Wechselwirkung gebracht werden können, deren Stärke verschiedene Anwendungen im Bereich der Quantentechnologien ermöglicht. Dazu zählen neuartige ultraschnelle elektronische Sensoren oder Schalter sowie die Erzeugung quantenmechanisch verschränkter elektronischer Zustände als Träger von Quanteninformationen für Quantencomputer.

Ansprechpartner

Niels Ubbelohde
Fachbereich 2.5
Halbleiter und Magnetismus
Telefon: (0531) 592-2534
Opens local program for sending emailniels.ubbelohde(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

N. Ubbelohde et al.: Two electrons interacting at a mesoscopic beam splitter. Nat. Nanotechnol. 18, 733 (2023)

Opens external link in new windowdoi.org/10.1038/s41565-023-01370-x