- 실리콘 바카라 룰점은 고정 크기의 미세화물을 생성하기 위해 전자를 하나씩 정확하게 제어합니다
- 요소의 차이에 관계없이 다중 실리콘 바카라 룰점에서 일정한 전류를 생성하는 세계 최초의 시연
- 2 개의 실리콘 바카라 룰점을 병렬로 결합하여 생성 된 전류를 성공적으로 곱했습니다
그림 바카라 룰 전류 표준 실현에 대한 여러 요소 간의 현재 비교
중고 연구원 Nakamura Shuji, Quantum Electrical Standards Research Group의 최고 연구원, 물리 측정 표준 연구 부서, 물리 측정 표준 연구 부서, 바카라 커뮤니티 (AIST), National Research Institute of Advanced Industrial and Technology (이하 AIST) 및 수석 연구원 인 Kaneko Shinsa의 수석 연구원, Kaneko Shinhhhish kaneko 님의 연구원 물리적 측정 표준 연구원의 측정 표준 연구 부서는 양자 전류 표준을 실현하기 위해 다수의 양자점 장치에 대해 작은 불확실성을 가진 전류를 성공적으로 생성했다
전류의 크기는 초당 흐르는 전자의 수에 의해 결정됩니다 이 기술을 통해 나노 머시 닝의 크기는 수십 개의 나노 미터 (10 억 분의 나노 미터)가 생산됩니다단일 전자 장치실리콘 바카라 룰점, "한 번에 한 곡물 씩"전자를 제어합니다 이번에는 실험 그룹은 2 개의 상이한 실리콘 바카라 룰 도트를 정확하게 제어했으며, 각각 미세 화폐를 생성하기 위해 초당 10 억 전자를 운반합니다 결과적으로, 우리는 요소의 차이에 관계없이 균일 한 크기로 일정한 전류를 생성하는 데 성공했으며, 두 개의 전류 값은 총 전류의 4x10-7우리는 상대적 불확실성이 아래에 일치되어 있음을 확인했습니다 (이는 각 요소에서 초당 10 억 전자 중 하나가 요소들 사이에 400 개의 차이 만 존재 함을 의미합니다) 또한, 두 개의 실리콘 바카라 룰점을 병렬로 결합함으로써, 우리는 동일한 불확실성을 유지하면서 두 배의 전류를 생성하는 데 성공하여 바카라 룰 전류 표준으로 필요한 전류 범위를 확장하는 기술을 확립했습니다 이 정밀 전류 세대 기술과 현재 비교 기술은 나노 앰프 아래의 미세화물을 측정하기위한 "표준"역할을하며 반도체 미세 자료, 화학적 측정 및 방사선 측정과 같은 현재 측정의 정확도를 향상시키는 데 기여합니다
이 기술의 세부 사항은 2023 년 12 월 20 일 (일본 시간 2:00 PM)에 제공 될 예정입니다나노 편지"
최근 몇 년 동안 미세한 가공 기술 및 물리학 및 화학에 사용되는 초고 감도 측정 기술의 개발과 함께 Femtoamperes에서 나노 앰퍼 아래의 작은 전류를 정확하게 생성하고 측정해야합니다 (Femto는 1의 1000 조의 1)입니다 현재 이러한 정확한 전류 측정을 보장하는 현재 표준 또는 "현재 표준"은 바카라 룰 기계적 현상을 사용하여 실현됩니다Quantum Hall 저항 표준"및"Josephson 전압 표준"에 의해 평가되는 저항 및 전압 소스를 연결함으로써 달성됩니다 그러나 이러한 방법으로 실현 된 현재 표준은 현재 값이 더 작아짐에 따라 감소함에 따라 달성됩니다상대적 불확실성더 커지고 있습니다 (그림 1의 왼쪽에 그래픽) 10-3상대적 불확실성보다 적거나 동등한 현재 표준은 아직 실현되지 않았습니다 우리는 의료 목적을위한 방사선 측정 및 화학을위한 입자 측정과 같은 고정밀 측정에 필요한 미세 화폐 표준을 달성하기를 기대합니다
그림 1 : OHM의 법칙에 의해 생성 된 전류에 의한 불확실성과 현재 캘리브레이션 가치의 관계
이 문제를 해결하려면 단일 전자 장치라고하는 작은 요소를 사용하여 전자를 하나씩 제어하여 미세 화폐 표준을 달성하려는 시도가 진행되고 있습니다 전류의 크기는 초당 흐르는 전자의 수에 의해 결정되므로 전자를 단일 전자 장치를 사용하여 하나씩 정확하게 제어 할 수 있고 고정 된 수의 전자를 도체에 전달할 수 있다면, 불확실성이 낮은 전류를 달성 할 수 있습니다 이 단일 전자 장치를 사용한 현재 표준에 대한 연구가 1990 년대에 제안되었으므로 전국의 연구원들은 현재 표준에 대한 꾸준한 연구를 계속 수행해 왔으며 현재는 현재의 약 100% (160 피코 앰퍼)입니다-7의 상대적 불확실성으로 발생할 수 있습니다 소규모 전류에 대한 실용적인 표준을 실현하려면 사용 된 요소와 상관없이 일정한 전류를 생성하는 기술을 확립해야합니다 또한 가변 전류 값과 작은 불확실성을 동시에 달성해야합니다 그러나,이 단일 전자 장치 기술은 여러 독립 장치 사이에서 일정한 미세 화폐가 동시에 생성 될 때 전류 값의 동등성과 보편성을 확인하지 않았다 또한,이 방법은 또한 초당 흐르는 전자의 수가 증가하면 전자 수송이 손상되어 전류가 더 큰 불확실성을 초래한다는 점에서 문제를 일으켰습니다
바카라 룰는 이전에 단일 전자 장치를 연구했으며 소형 전류에 대한 현재 표준을 달성하기 위해 소량을 정확하게 측정하는 정밀 전류 측정 기술을 개발했습니다 또한 NTT는 실리콘 양자 도트를 사용하여 현재 표준을 연구했으며 세계에서 가장 높은 정밀 전류를 생성하는 양자점을 제조하는 기술을 가지고 있습니다 NTT에 의해 제조 된 실리콘 양자점 도트 장치를 바카라 룰의 정밀 전류 측정 기술과 결합함으로써, 우리는 두 개의 독립적 인 실리콘 양자 도트에서 생성 된 전류의 크기를 정확하게 비교했으며, 이들 중 2 개는 4x10-7이것은 세계에서 어느 정도의 불확실성의 우연의 일치가 있습니다 또한, 이러한 비슷한 전류 중 두 가지를 함께 추가함으로써, 우리는 불확실성을 낮게 유지하면서 전류를 곱할 수있었습니다
이 연구 개발은 과학 연구 프로젝트를위한 과학 홍보 협회 (JSPS) 과학 연구 프로젝트 기본 연구 S "단일 전자 제어 (2018-2022)를 통한 바카라 룰 표준의 개발 및 극단적 측정 기술에 의해 지원됩니다
이 연구에서는 약 수십 개의 나노 미터 크기를 갖는 2 개의 실리콘 양자점 (요소 A, 요소 B)을 미세 가축 기술을 사용하여 제작하고 실험을 수행 하였다 장치는 NTT에 의해 제조되었고 전류는 바카라 룰에 의해 정확하게 측정되었다 전류를 생성하기 위해, 먼저, 음의 전압이 2 개의 게이트 전극에 적용되어 실리콘 와이어에 양자점을 형성한다 (도 2 좌측 ➀) 다음으로, 2 개의 게이트 전극의 한쪽에 양의 전압을 적용함으로써, 실리콘 와이어의 에너지 장벽이 감소되고, 소스 쪽의 전자는 양자점으로 안내된다 (도 2 좌측 ➁) 양의 전압이 적용된 전극에 음의 전압을 적용함으로써, 전위 에너지가 증가하고, 하나의 전자 만 양자점으로 추출된다 (도 2 좌측 ➂) 마지막으로, 음의 전압을 증가시킴으로써, 양자점에 갇힌 전자는 배수쪽으로 방출된다 (도 2, 좌측 ➃) 이 일련의 작업을 AC 전압을 사용하여 ①에서 ④까지 지속적으로 수행함으로써, 각 전자는 전류를 생성하기 위해 하나씩 하나씩 전송됩니다 현재 생성 된 현재i초당 전자 수는f(조각/s) 및 전기량e(1602176634 × 10-19c) (i=e×f) 그림 2는 실제로 2 개의 독립적 인 요소로 초당 10 억 전자를 실제로 보내고 배수 측 전압과 관련하여 생성 된 전류를 플로팅 한 결과입니다 게이트 전압과 관련하여 전류가 변하지 않는 영역 (현재 고원)이 형성됨을 알 수 있습니다 실험은이 현재 고원의 정확한 평가를 수행했으며, 두 요소 모두 10-6정확도보다 적거나 동일 한 이론적 값i=e×f와 일치한다는 것을 확인했습니다
그림 2 : 실리콘 바카라 룰 점 (왼쪽) 및 전류에 의한 전류 세대 메커니즘과 두 요소 (오른쪽)
이 실험에서,이 두 요소들 사이의 전류 차이를 정확하게 평가하기 위해, 특수 검류계를 사용하여 전류의 직접 비교를 수행 하였다 결과적으로 생성 된 두 전류는 총 전류의 4x10입니다-7우리는 상대적 불확실성이 일치했음을 확인했습니다 (그림 3 (a)) 이 결과는 2 개의 실리콘 바카라 룰 도트에서 생성 된 전류가 장치 차이에 관계없이 일정한 전류를 생성 할 수 있음을 처음으로 보여줍니다 또한,이 연구에서, 불확실성은 서로 동일한 크기로 확인 된 전류를 추가함으로써 요소를 병렬로 배열함으로써 달성된다-6(그림 3 (b))
그림 3 (a) 두 개의 실리콘 바카라 룰점에 의해 생성 된 전류의 직접 비교
(밝은 색 데이터는 축적이 적고, 다크 데이터는 더 큰 축적을 가지고 있습니다)
(b) 실리콘 바카라 룰점 두 개를 병렬로 구동하고 전류를 곱한 결과 PPM은 1 × 10-6의 백분율을 나타냅니다
이 결과는 두 개의 다른 독립적 인 실리콘 바카라 룰 도트에 의해 생성 된 분 전류가 동일한 값을 취하고 미래에 미세 화폐 측정의 정확성을 보장하는 현재 표준의 실현에 기여할 결과임을 확인하는 첫 번째 실험 결과입니다
그림 4이 실험에서 생성 된 전류의 크기와 그 불확실성
이제 우리는 비교 및 병렬화를 통해 전류를 곱하는 데 기술을 사용하며 더 많은 요소를 병렬로 구동 할 수 있습니다 이것은 수년 동안 실현하기 어려운 미세화물에 대한 표준을 확립하는 것을 목표로합니다 또한, 여러 단일 전자 장치를 사용하는이 기술은 OHM 법칙을 통해 세 가지 바카라 룰 전류 표준, 바카라 룰 홀 저항 표준 및 Josephson 전압 표준을 조합 할 수 있습니다바카라 룰 계측 삼각형확인됩니다 이 검증은 기본 물리학의 발전에 기여할 것으로 예상되는데, 이는 미세한 세계를 설명하는 기본 물리 상수에 모순이 없으며 다양한 정밀 측정 기술에 적용되는 것과 같은 기본 물리학의 발전에 기여할 것으로 예상됩니다
게시 된 잡지 :Nano Letters
종이 제목 : PPM 수준의 불확실성으로 GHZ 운영 실리콘 펌프의 보편성 및 곱셈
저자 : Shuji Nakamura, Daiki Matsumaru, Gento Yamahata, Takehiko Oe, Dong-Hun Chae, Yuma Okazaki, Shintaro Takada, 미시타카 마루야마, Akira Fujiwara 및 Nobu-kaneko
doi :https : //doiorg/101021/acsnanolett3c02858