[論文レビュー] Extracting single electron wavefunctions from a quantum electrical current

Arthur Marguerite, Benjamin Roussel+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2017

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、二粒子干渉計と信号処理を用いて、事前の仮定なしに周期的量子電流から単一電子およびホール波動関数、ならびにそれらの量子コherenceを抽出する、画期的なオンチップ量子電流アナライザーを提示する。この手法により、測定されたノイズから電子のウィグナー分布が再構成され、量子ナノエレクトロニクス系における単粒子状態の完全な特徴付けが可能となる。

ABSTRACT

Quantum nanoelectronics has entered an era where quantum electrical currents are built from single to few on-demand elementary excitations. To date however, very limited tools have been implemented to characterize them. In this work, we present a quantum current analyzer able to extract single particle excitations present within a periodic quantum electrical current without any a priori hypothesis. Our analyzer combines two-particle interferometry and signal processing to extract the relevant electron and hole wavefunctions localized around each emission period and their quantum coherence from one emission period to the other. This quantum current analyzer opens new possibilities for the characterization and control of quantum electrical currents in nanoscale conductors and for investigations of entanglement in quantum electronics down to the single electron level.

研究の動機と目的

• 電子状態に関する事前の仮定に依存せずに、量子電流の全単粒子的状態を特徴付ける手法の開発を目的とする。
• 実験的に測定されたノイズデータから、電子およびホール波動関数、ならびにそれらの発生周期間の量子コherenceを抽出することを目的とする。
• 二粒子干渉計の設定において、過剰電流ノイズから電子のウィグナー分布の再構成を実証することを目的とする。
• ウィグナー分布の上限を用いた量子的・準古典的電流の定量的分析を可能とすることを目的とする。
• 固体状態エレクトロニクス系におけるもつれや量子オプティクス現象を、単一電子レベルで探査するためのツールを提供することを目的とする。

提案手法

• 本手法は、ν=2における二次元電子系に存在する量子ポイントコンタクトを用いた二粒子干渉計に基づくもので、ビームスプリッタを用いて状態の重なりを測定する。
• 干渉計出力における過剰ノイズΔSを、ソースのオン・オフ状態の間で測定し、ウィグナー分布へのソースの寄与を分離する。
• 測定された過剰ノイズを用いたウィーナー非畳み込みにより、ウィグナー分布W^(e)(t,ω)を再構成し、機器応答およびノイズの補正を行う。
• フーリエに基づくアルゴリズムにより、再構成されたウィグナー関数を、ω±nπf≥0および≤0のそれぞれに対応する電子的およびホール的領域に投影することで、単粒子的寄与を分離する。
• 投影された相関関数Δ₀𝒢^(e)(t,t′)の正確な固有値分解を実行し、フロケ型の波パッケット（信号の電子的およびホール的原子）を抽出する。時間拡散の最小化により位相のあいまいさを解消する。
• 得られた固有ベクトルから電子およびホール波動関数を再構成し、確率スペクトルからコherence関数g^(e)/h(l)を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 事前の入力状態の仮定なしに、実験データから量子電流の全単粒子的状態を抽出可能か？
• RQ2 周期的量子電流のウィグナー分布から、電子およびホール波動関数をどのように再構成できるか？
• RQ3 発生周期間の量子コherenceが、ウィグナー分布の構造に果たす役割は何か？
• RQ4 古典的上限（0≤W^(e)≤1）からの逸脱は、電子輸送における量子的領域を同定するためにどのように利用できるか？
• RQ5 二粒子干渉計と信号処理をどのように組み合わせて、ナノスケール導体における非古典的電子状態を抽出できるか？

主な発見

• 周波数分解能δω ≈ 0.19 μeV/ħを達成し、測定された過剰ノイズからウィグナー分布W^(e)(t,ω)を成功裏に再構成した。
• 二粒子干渉計からの実験データのみを用いて、事前の仮定なしに電子およびホール波動関数を抽出する手法が実現された。
• 再構成されたウィグナー分布は古典的上限（0≤W^(e)≤1）からの逸脱を示し、電流の量子的性質を確認した。
• 時間拡散の最小化により位相のあいまいさが解消され、良好に局在化した波パッケットが得られた。
• 再構成されたg^(e)/h(l)関数により、発生周期間の継続的な量子コherenceが定量的に評価された。
• 領域ベースのフィルタリングと行列の対角化を用いて、ウィグナー分布における純粋な電子的およびホール的寄与が効果的に分離された。