Иллюстрация представлена Dame Fall et al. / The Journal of the Acoustical Society of America. Исследователи разработали инновационный способ создания мощного одноимпульсного акустического сигнала на простой поверхности материала. Метод заключается в запуске с точно выверенной временной задержкой более ста разночастотных сигналов. В результате их суперпозиции формируется единый минимум амплитуды, представляющий собой одноимпульсный акустический сигнал. Данный импульс может быть использован для транспортировки отдельных электронов в квантовых компьютерах. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review X. Акустические волны способны распространяться по поверхности кристаллов. В современной электронике мощные поверхностные акустические волны широко применяются в сенсорных дисплеях. При касании экрана пальцем часть энергии волны поглощается, что приводит к изменению сигнала, регистрируемому датчиком.
В некоторых пьезоэлектрических материалах колебания поверхности способствуют возникновению электрического поля, с помощью которого можно осуществлять перемещение одиночных электронов.
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.
Экспериментальная установка. Встречно-гребенчатый преобразователь (слева) генерирует одноимпульсную поверхностно-акустическую волну (SAW), которая захватывает электрон возле квантовых рельсов и переносит его по ним. Справа расположен детектор волны, который преобразуется акустический сигнал обратно в элеткрический. Junliang Wang et al. / Physical Review X
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.
Автор: Илья Бения
Источник: https://nplus1.ru/
