Звуковой импульс научили переносить электроны

Ученые создали способ генерации одноимпульсного акустического сигнала на поверхности материала. Для этого они запустили с определенной временной задержкой более сотни разночастотных сигналов, которые при наложении сформировали единственный минимум. Такой акустический импульс можно использовать для переноса электронов в квантовом компьютере. Работа опубликована в Physical Review X.

По поверхности кристаллов могут распространяться акустические волны. В электронике поверхностные акустические волны применяются в сенсорных дисплеях (когда палец подносят к экрану, часть энергии волны поглощается, а изменение сигнала регистрируется датчиком). В некоторых пьезоэлектрических материалах такие колебания поверхности создают электрическое поле, с помощью которого можно перемещать одиночные электроны. Таким образом, поверхностные акустические волны можно использовать для транспортировки кубитов на свободных электронах в квантовом компьютере. Ученые уже реализовали перенос электронов по поверхности на расстояния порядка десятков микрометров (сотых долей миллиметра), однако существующая технология создает электромагнитные помехи из-за большого количества энергетических минимумов у волны.

Когда поверхностная волна проходит мимо электрона, тот запрыгивает в один из минимум потенциальной энергии электрического поля. Дальше волна с элеткроном движется по квантовым рельсам — металлическим полосам с отрицательным зарядом, которые не дают элтктрону перемещаться в поперечном направлении. Так как волна имеет очень много минимумов, чтобы элеткрон запрыгнул в конкретный из них в нужный момент времени, ученые подталкивают частицу с помощью электрического импульса . Недостатки этого метода — дополнительные электромагнитные помехи и возбуждение электрона, вызванные импульсом. Также для каждого отправленного электрона нужен свой источник импульсов. Кардинально другой подход — запустить волну с одним минимумом. Реализация такой технологии позволит контролировать положение электрона и не создает дополнительных помех.

В совместной работе ученые из Университета Гренобль-Альпы и Токийского технологического университета под руководством Кристофера Бауэрле (Christopher Bäuerle) продемонстрировали метод генерации поверхностно-акустической волны с одиночным импульсом, который можно использовать для перемещения электрона. В первой части работы физики создали одноимпульсную поверхностую волну с помощью одного из методов частотной модуляции — чирплет-преобразования, а второй — показали, как с помощью нее можно перемещать электрон между двумя точками на поверхности пьезоэлектрика.

Единичный акустический импульс математически выражается временной дельта-функцией Дирака, которую можно представить как сумму очень большого числа волн с разными, но последовательными частотами. Максимумы (минимумы) волн складываются в определенный момент времени, образуя большой максимум (минимум), в остальные моменты они гасят друг друга. Чтобы сгенерировать волны различной частоты, ученые использовали встречно-гребенчатый преобразователь с переменным расстоянием между его гребнями. Электрический сигнал, поданный на устройство, создавал акустическую волну на поверхности пьезоэлектрика. При этом входной электрический сигнал преобразователя модулировал частоты таким образом, чтобы они сложились в единственный минимум после прохождения преобразователя.

Во второй части работы ученые научились перемещать одиночный электрон с помощью одноимпульсной поверхностной волны. Волну генерировали на гетероструктуре арсенида галлия и алюминий-арсенида галлия (GaAs/AlGaAs). В таком материале электроны могут свободно двигаться в двух направлениях по плоскости. Движение в одном из них ограничивали квантовые рельсы — металлические полосы, длиной 8 микрометров, из сплава титана и золота. Возле квантовых рельс удерживался электрон в квантовой точке с помощью электрических полей. Импульс поверхностной волны он подхватывал электрон и перемещал его по рельсам. Происходило это потому, что электрон перескакивал в более низкий минимум потенциальной энергии проходящего электрического поля, а квантовые рельсы не давали частице двигаться в поперечном направлении.

Отправление электрона и его прибытие на получатель, расположенный в конце квантовых рельс, фиксировалось по скачкам тока на отправителе и получателе. Более 99 процентов из 70000 тысяч измерений показали, что поверхностная волна переносила электрон. Детектор, расположенный за квантовыми рельсами, дешифровал акустический сигнал обратно в электрический, таким образом ученые наблюдали за изменением поверхностной волны с течением времени. Прохождение минимума поверхностной волны через получатель и отправитель электрона совпадало со скачком напряжения на них. Этот факт подтвердил, что электрон запрыгивает в поверхностную волну именно в ее минимуме.

Разработанную технологию одноиумпульсного акустического переноса можно применять не только для контролируемого по времени и положению перемещению электрона, но и для генерации спиновых токов и создания однофотонных излучателей. Ученые также подчеркивают применимость метода для транспортировки электронных летающих кубитов. В квантовых технологиях поверхностные акустические волны уже используются для считывания информации со сверхпроводящих кубитов и для «пленения» спинов.