NTT驗(yàn)證世界最高精度GHz單電子轉(zhuǎn)移元件

 NTT于2016年7月5日宣布，與英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(National Physical Laboratory，NPL)共同驗(yàn)證了用硅晶體管制作的單電子轉(zhuǎn)移元件(逐一準(zhǔn)確輸送每個(gè)電子的元件)，使該元件以1GHz高速工作，證實(shí)其在千兆赫茲范圍內(nèi)具有世界最高精度(9.2×10-7以下的錯(cuò)誤率)。這一成果關(guān)系到對(duì)安培這一電流基本單位進(jìn)行重新定義，而且還有望用于量子計(jì)量三角形的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證基礎(chǔ)物理常數(shù)中不存在矛盾等，可為基礎(chǔ)物理領(lǐng)域做出重大貢獻(xiàn)。

使用硅晶體管的單電子轉(zhuǎn)移元件

安裝在NPL的高精度電流測(cè)量系統(tǒng)使用的樣品保持器上的NTT的硅單電子轉(zhuǎn)移元件

在國(guó)際單位制(SI)方面，業(yè)界于2011年提出了變更定義的方案，建議使用約化普朗克常數(shù)h及基本電荷e等自然不變量來重新定義。在這一重新定義中，作為電流基本單位的安培將被把以往為測(cè)定值的e改作固定值，根據(jù)電流標(biāo)準(zhǔn)來生成電流ef(f：頻率)進(jìn)行設(shè)定。利用時(shí)鐘控制逐一準(zhǔn)確輸送每個(gè)電子的單電子轉(zhuǎn)移元件有望作為最直接的電流標(biāo)準(zhǔn)使用。

此次NTT運(yùn)用了長(zhǎng)年積累的以晶圓級(jí)別制作納米級(jí)硅晶體管的技術(shù)。該技術(shù)能夠以出色的成品率制作具有雙層?xùn)艠O和微細(xì)單電子島的構(gòu)造。將單電子島微細(xì)化后，電子的帶電能量就會(huì)變大，有望實(shí)現(xiàn)高精度的工作。通過向10納米級(jí)細(xì)線施加基于柵極電壓的封閉，實(shí)現(xiàn)了千兆赫茲范圍內(nèi)的高精度工作。

另外，此次還使用了NPL的高精度電流測(cè)量系統(tǒng)。通過比較單電子轉(zhuǎn)移電流與流過1GΩ高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻的參照電流，實(shí)現(xiàn)了將不準(zhǔn)確性降至10-6左右的高精度測(cè)定。與以往的評(píng)測(cè)相比，這種方法的錯(cuò)誤率改善了兩位數(shù)。此外，上述雙方還利用該測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量了由不同材料及不同研究機(jī)構(gòu)制作的元件，此次的成果還將為確認(rèn)10-6級(jí)可變勢(shì)壘單電子轉(zhuǎn)移元件的普遍性做出貢獻(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)具有實(shí)用性的電流標(biāo)準(zhǔn)，NTT和NPL今后將推進(jìn)以更高精度的驗(yàn)證為目標(biāo)的舉措。具體而言，將與歐盟的量子電流標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目合作，改進(jìn)高精度測(cè)量系統(tǒng)并實(shí)施不準(zhǔn)確性降至1×10-7左右的測(cè)定。另外，還將使用具備單電子級(jí)分辨率的電荷計(jì)來測(cè)量轉(zhuǎn)移的電子數(shù)量，由此實(shí)現(xiàn)以電流標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)值、即1×10-8以下的錯(cuò)誤率為目標(biāo)的高精度評(píng)測(cè)，同時(shí)還將尋找6.5GHz高速工作時(shí)精度下降的原因，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)最高速時(shí)的高精度工作。