Izmantojot LU FMOF izstrādāto teoriju, ir iegūta atsevišķa elektrona kvantu “fotogrāfija”, ziņo “Nature Communications”

Darba teorētiskā daļa ir izstrādāta LU Fizikas, matemātikas un optometrijas fakultātes Kvantu nanoelektronikas teorijas grupā (vadītājs Vjačeslavs Kaščejevs) un Berlīnes Universitātē (piedaloties LU absolventei Elīnai Locānei), savukārt eksperimentālā daļa ir veikta Lielbritānijas NPL, sadarbībā ar Kembridžas Universitāti un Londonas Koledžas Universitāti.

Elektronu sūkņi ir pusvadītāju ierīces, kas pēc pieprasījuma satver un izsviež atsevišķus elektronus. Elektriskās shēmas, kurās atsevišķi elektroni kustas pēc inerces (ballistiski), ir potenciāli noderīgas nākotnes kvantu tehnoloģijās, kas paredzētas augstas precizitātes elektriskajai metroloģijai, ātras darbības sensoriem, kā arī kvantu informācijas apstrādei. Jaunā metode, kas nupat publicēta “Nature Communications”, ļauj raksturot elektronus enerģijas-laika plaknē un novērtēt elektriskās strāvas kvantiskumu. Izmaiņas šādos attēlos ļauj konstatēt smalku signālu klātbūtni un iekodēt kvantu informāciju.

Vienelektrona sūkņi: ne tikai lādiņa skaitītāji

Ir ērti domāt par elektrisko strāvu kā par nepārtraukta šķidruma plūsmu un ignorēt tās “graudainumu”. Pat mazas elektriskās strāvas dažu mikroampēru apmērā atbilst vairākiem triljoniem (10¹²) elektronu sekundē un atsevišķu elektronu kustība nav acīmredzama. Fundamentālā strāvas “graudainuma” parādīšanās ne vienmēr ir vēlama parādība; tā var būt nenovēršams cēlonis troksnim vakumcauruļu vai pusvadītāju pastiprinātājos.

Elektronu sūkņa attēls elektronu mikroskopā: vienelektronu sūkņa metāliskie vārti (pa kreisi, iekrāsots zaļš) kontrolē elektrisko lauku zem tiem esošajā slānī, pa kuru pārvietojas elektroni, tādējādi ļaujot tos pēc izvēles gan satvert, gan izsviest. Spēcīgā magnētiskā lauka dēļ elektroni pārvietojas gar vadošā apgabala malu (iekrāsots dzeltens). Jaunā metode izmanto dinamisku barjeru (pa labi, iekrāsots sarkans), lai pētītu elektronus.

Radītās nano-izmēra ierīces metāla / pusvadītāju struktūrās, ļauj zinātniekiem kontrolēt atsevišķus elektronus un to transportu noderīgiem mērķiem. Vienelektrona ierīces var tikt izmantotas kā elektriskā lauka sensori, zemu temperatūru termometri, kā arī kvantu bitu fizikālās realizācijas elementi. Savukārt, jaunā SI Ampēra definīcija nozīmē to, ka ierīces, kas cikliski pa vienam pārvieto elektronus, var tikt izmantotas kā primārie strāvas etaloni.

Iespējas, kas paveras, ir vēl daudz plašākas kā vien “ideāls strāvas avots”. Kvantu mehānika nosaka, ka elektroni ir ne tikai daļiņas, bet arī viļņi. Atsevišķus elektronus var ievadīt viļņvados, kas veidojas pusvadītāju apgabalu malās, kad tos pakļauj magnētiskajam laukam. Šādi elektroni spēj brīvi mērot ļoti garus attālumus (desmitiem mikronu) bez izkliedēšanās. Šī ideja ir pamatā tam, ko sauc par “elektronu kvantu optiku” pēc analoģijas ar optiskajām sistēmām, kuru kvantu uzvedība ir labi izpētīta. Vispārējā motivācija fotonu aizstāšanai ar elektroniem balstās vēlmē veicināt cietvielu kvantu ierīču “arsenāla” attīstību, kura iespējamās priekšrocības būtu mērogojamība un savienojamība ar tradicionālām elektroniskajām ierīcēm.

Kvantu efektu izmantošanai un augstas izšķirtspējas mērījumu veikšanai nepieciešams spēt precīzi kontrolēt elektrona stāvokli potenciāli sarežģītu mijiedarbību klātbūtnē. Taču kā lai izpēta atsevišķa elektrona kvantu stāvokli, kas ir kā no pistoles izšauta lode?

Jūtīgi elektronu enerģijas un laika mērījumi

Eksperimentā tika izmantoti kvantu sūkņi, kuru radīto ballistisko elektronu enerģija ir apmēram 100 meV ar aptuveni 10 pikosekunžu laika nenoteiktību nonākšanai detektorā. Šis ir ļoti mazs laika mērogs, lai to pētītu eksperimentāli. Elektronu ceļā tika novietota laikā precīzi maināma potenciāla barjera, lai selektīvi neļautu tiem nonākt detektorā. Liekot potenciālam mainīties laikā lineāri ar dažādiem straujumiem un mērot caurizgājušo strāvu, tika izmērītas elektrona transmisijas varbūtības cauri barjerai.

Izaicinājums teorijai šajā darbā ir bijis piemeklēt matemātisko metodi, kas ļauj no strāvas mērījumiem izvilkt informāciju, kas raksturo pašu elektronu. Izrādās, ka tam noder algoritmi, ko izmanto medicīniskajā tomogrāfijā, lai ielūkotos cilvēka ķermenī. Šajā darbā “neredzamais ķermenis” ir varbūtību sadalījums tam, ar kādu enerģiju un kurā brīdī elektrons sasniegs barjeru.

Šīs attēls – viena elektrona “tomogramma” – ir jaunā darba galvenais rezultāts.

Elektrona nenoteiktība enerģijas-laika plaknē: elektrona varbūtības blīvums ir koncentrēts mazā, lēcas formas laukumā ar slīpumu, kura cēlonis ir elektronu izsviešana no laikā mainīga elektronu sūkņa.

Iegūtajos attēlos varbūtība koncentrējas mazā “lēcas formas” apgabalā, kura novietojums plaknē nosaka korelāciju starp enerģiju un laiku un ir atkarīgs no elektrona izsviešanas ātruma ārā no elektronu sūkņa, kuru eksperimentā varēja kontrolēt. Šie rezultāti apstiprina vēl 2011. gadā Latvijā izstrādāto kvantu sūkņu enerģijas spektra teoriju.

Kvantiskuma noslēpums

Elektrona tomogrammas “asumu” ierobežo fundamentālās kvantu fizikas likumi - Heisenberga nenoteiktība. Tā nosaka, ka precīzi zinot pienākšanas laiku, būs nenoteikta elektrona enerģija (un otrādi). Atsevišķā rakstā žurnālā New Journal Of Physics LU FMOF NTG zinātnieki sadarbībā ar Berlīnes Universitāti ir izstrādājuši jaunās metodes kvantu vispārinājumu. Šie rezultāti ļāvuši novērtēt, cik tuvu Lielbritānijā veiktā eksperimenta precizitāte ir pietuvojusies šai fundamentālajai robežai.

Kvantiski ierobežotas elektronu transmisijas gadījumā, eksperimentā izmantotās ierīces varētu izmantot kā vēl sarežģītāku ierīču sastāvdaļas, piemēram, karstu elektronu interferometros. Lai gan pagaidām šībrīža eksperimenti norisinās ārpus šī režīma, iegūto sadalījumu saistība ar elektrona izsviešanu no kvantu sūkņa ir skaidri izdibināta, un, balstoties uz teorētisko darbu, elektrona kvantiskajām īpašībām vajadzētu nonākt uzmanības centrā nākotnes eksperimentos.

Džonatans Flečers no Lielbritānijas Nacionālā metroloģijas institūta saka: “Kad tu strādā ar strāvas etaloniem, tu vari jokojoties teikt, ka tavs darbs ir “skaitīt elektronus”. Tagad mēs bildi pievelkam tuvāk, lai aplūkotu to pašu elektronu kvantu stāvokli, šķiet, ir it kā mēs “taustītu to formu”. Tas varētu skanēt jocīgi, bet tas ir svarīgi, jo tas ir tas, kas nosaka izšķirtspēju mērījumu pielietojumos, un no tā var pateikt, cik dzīvotspējīgi būs izmantot šos elektronus sarežģītākās elektriskajās ķēdēs.”

LU Fizikas, matemātikas un optometrijas vadošais pētnieks, profesors Vjačeslavs Kaščejevs: “Šajā pētījumā vispārsteidzošākais ir tas, ka pilnajā kvantu teorijā izmērītais varbūtību blīvums var būt arī negatīvs. Šī interpretācija pazīstama kvantu teorijā jau teju 90 gadus (t.s. Vīgnera kvazivarbūtība), bet pirmo reizi tā parādās dabiski, kā vienkāršas eksperimentālās metodes konsekvents rezultāts. Sadarbojoties talantīgajiem vairāku nozaru un valstu zinātniekiem, esam spēruši būtisku soli nanoelektronikā, lai elektronu duālā daļiņas-viļņa daba no domu eksperimenta pārtaptu par praktiski izmantojamu tehnoloģiju. Jauno metodi jau ir sākušas pielietotas arī citas laboratorijas, savukārt teorētiski ir kļuvis skaidrs ceļš uz reālistisku kvantu optikas ierīču jūtīguma novērtēšanu.”

Raksta publikācija Nature Communications.

LU pētnieku darbu šajā projektā ir atbalstījusi Latvijas Zinātnes padome projekta Nr. lzp-2018/1-0173 “Kvantiskuma priekšrocības fizikālie aspekti informācijas un mērījumu tehnoloģijās” ietvaros, kā arī Eiropas metroloģijas organizācija EURAMET EMPIR projekta Nr. 17FUN04 SEQUOIA “Vienelektronu kvantu optika kvantiski pastiprinātiem mērījumiem” ietvaros.

Projekts Nr. 17FUN04 SEQUOIA tiek finansēts caur Eiropas Savienības Izpētes un Inovācijas programmu “Apvārsnis 2020” Eiropas Metroloģijas Inovāciju un Izpētes programmas ietvaros.