NTT 近日宣布,与英国国家物理实验室(National Physical Laboratory,NPL)共同验证了用硅晶体管制作的单电子转移元件(逐一准确输送每个电子的元件),使该元件以 1GHz 高速工作,证实其在千兆赫兹范围内具有世界最高精度(9.2×10-7 以下的错误率)。这一成果关系到对安培这一电流基本单位进行重新定义,而且还有望用于量子计量三角形的实验,验证基础物理常数中不存在矛盾等,可为基础物理领域做出重大贡献。
 
  使用硅晶体管的单电子转移元件
   
安装在 NPL 的高精度电流测量系统使用的样品保持器上的 NTT 的硅单电子转移元件
 
在国际单位制(SI)方面,业界于 2011 年提出了变更定义的方案,建议使用约化普朗克常数 h 及基本电荷 e 等自然不变量来重新定义。在这一重新定义中,作为电流基本单位的安培将被把以往为测定值的 e 改作固定值,根据电流标准来生成电流 ef(f:频率)进行设定。利用时钟控制逐一准确输送每个电子的单电子转移元件有望作为最直接的电流标准使用。
 
此次 NTT 运用了长年积累的以晶圆级别制作纳米级硅晶体管的技术。该技术能够以出色的成品率制作具有双层栅极和微细单电子岛的构造。将单电子岛微细化后,电子的带电能量就会变大,有望实现高精度的工作。通过向 10 纳米级细线施加基于栅极电压的封闭,实现了千兆赫兹范围内的高精度工作。
 
NPL 的高精度电流测量系统
 
   此次的单电子转移元件的成果和最终目标
 
另外,此次还使用了 NPL 的高精度电流测量系统。通过比较单电子转移电流与流过 1GΩ高精度标准电阻的参照电流,实现了将不准确性降至 10-6 左右的高精度测定。与以往的评测相比,这种方法的错误率改善了两位数。此外,上述双方还利用该测量系统测量了由不同材料及不同研究机构制作的元件,此次的成果还将为确认 10-6 级可变势垒单电子转移元件的普遍性做出贡献。
 
为了实现具有实用性的电流标准,NTT 和 NPL 今后将推进以更高精度的验证为目标的举措。具体而言,将与欧盟的量子电流标准项目合作,改进高精度测量系统并实施不准确性降至 1×10-7 左右的测定。另外,还将使用具备单电子级分辨率的电荷计来测量转移的电子数量,由此实现以电流标准的目标值、即 1×10-8 以下的错误率为目标的高精度评测,同时还将寻找 6.5GHz 高速工作时精度下降的原因,力争实现最高速时的高精度工作。