米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）物理测量标准研究部量子电气标准研究小组 Hideji Nakamura 物理测量标准研究部首席研究员 Shinhisa Kaneko 日本电报电话公司（以下简称“NTT”）首席研究员 Satoshi Fujiwara 高级研究员，Moton Yamabata 与专门研究人员合作，我们成功地生成了利用多个量子点器件实现不确定性较小的电流，旨在实现量子电流标准。
8612_8686单电子器件是硅量子点一一控制电子。这次，实验组精确控制了两个不同的硅量子点，每个硅量子点每秒携带十亿个电子，产生微电流。结果，无论元件如何不同，我们都成功地产生了相同幅度的恒定电流，并且两个电流值为总电流的4×10-7这意味着在每个元素每秒携带的十亿个电子中，元素之间仅存在 400 个差异。此外，通过并联组合两个硅量子点，我们成功地产生了两倍的电流，同时将不确定性保持在同一水平，建立了扩大量子电流标准所需电流范围的技术。这种精密电流产生技术和电流比较技术将成为纳安级以下微电流测量的“标准”，为半导体微细加工、化学测量、辐射测量等电流测量的高精度做出贡献。
该技术的详细信息将于 2023 年 12 月 20 日（日本时间 14:00）公布。纳米字母
近年来，随着用于微细加工技术、物理、化学等领域的超高灵敏度测量技术的发展，需要精确地产生和测量从飞安（飞秒是1的万亿分之一）到纳安或更小的微小电流。目前，确保这种精确电流测量的现行标准或“现行标准”是利用量子力学现象来实现的。量子霍尔电阻标准”和“约瑟夫森电压标准'' 的电阻器和一个电压源来实现的。然而，目前使用这种方法实现的标准是相对不确定性正在增加（图 1 中的左图）。 10 表示低于纳安的分钟电流-3的现行标准尚未实现。医疗用辐射测量、化学用粒子测量等高精度测量所需的微电流标准的实现正在等待实现。
图 1 电流值与欧姆定律产生的校准不确定度之间的关系
为了解决这些问题，人们正在尝试通过使用称为单电子器件的微观元件一一控制电子来实现微电流标准。电流的大小由每秒流过的电子数量决定，因此，如果我们能够使用单电子元件一一精确地控制电子，并允许固定数量的电子流过导体，我们就可以产生不确定性很小的电流。自20世纪90年代首次提出以来，各国研究人员一直在稳步开展使用单电子元件的电流标准的研究，目前160皮安（皮安是一万亿分之一）的电流约为10%-7为了实现微电流的实用标准，有必要建立一种无论使用的元件如何不同都能产生恒定电流的技术。此外，需要同时实现可变的电流值和较小的不确定性。然而，这种单电子元件方法尚未验证多个独立元件同时产生恒定微电流时电流值的等价性和普适性。这种方法的另一个问题是，如果增加每秒流动的电子数量，可能会丢失一些电子，从而增加电流的不确定性。
AIST 一直在研究单电子器件并开发精密电流测量技术，以精确测量微小电流，以实现微小电流的电流标准。此外，NTT一直在研究使用硅量子点的现行标准，并拥有制造产生世界上最精确电流的量子点的技术。通过结合NTT制造的硅量子点器件和AIST拥有的精密电流测量技术，我们精确地比较了两个独立的硅量子点产生的电流大小，两者为4×10-7此外，通过将这两个比较电流相加，我们成功地使电流倍增（加倍），同时保持较小的不确定性。
这项研究和开发得到了日本学术振兴会 (JSPS) 科学研究补助金 S“利用单电子控制的量子标准和极限测量技术的开发（2018-2022 年）”的支持。
在这项研究中，我们利用微加工技术制造了两个尺寸为数十纳米的硅量子点（器件A和器件B）并进行了实验。该器件是在 NTT 制造的，精密电流测量是在 AIST 进行的。为了产生电流，首先，通过向两个栅电极施加负电压，在硅线中形成量子点（图2，左➀）。接下来，通过向这两个栅电极之一施加正电压，硅线中的能垒降低，源极侧的电子被引导到量子点中（图 2，左 ➁）。通过向施加正电压的电极施加负电压，势能增加，并且仅从量子点中提取一个电子（图2，左➂）。最后，通过增加负电压，量子点中捕获的电子被释放到漏极侧（图2，左➃）。通过使用交流电压连续进行①至④的一系列操作，电子一个接一个地移动并产生电流。此时产生电流I是每秒传输的电子数f（件数/秒）和基本电荷e(1602176634×10-19C) 产品 (I=e×f）。图 2 右侧显示了使用两个独立元件每秒实际发送 10 亿个电子的结果，并绘制了生成的电流与漏极侧电压的关系。可以看出，形成了电流相对于栅极电压不变化的区域（电流平台）。在实验中，我们对当前的平台进行了精确评估，两个元素均为 10-6理论值，精度如下我=e×f
图2 硅量子点产生电流的机制（左）和两个元件产生电流的机制（右）
在这个实验中，为了更精确地评估这两个元件之间的电流差异，我们使用了特殊的检流计来直接比较电流。结果，产生的两个电流是总电流的4×10-7我们确认同意以下相对不确定性（图 3(a)）。这一结果首次表明，无论器件的差异如何，两个硅量子点产生的电流都可以产生恒定电流。此外，在这项研究中，通过并联布置元件，将已确认具有相同幅度的电流相加，以将不确定性降低10-6左右。 （图3（b））。
图3(a) 两个硅量子点产生的电流的直接比较
（浅色数据表示小积分，深色数据表示大积分）
(b) 并行驱动两个硅量子点并使电流倍增的结果。 ppm 为 1×10－6的百分比
这些结果是首次确认两个不同的独立硅量子点产生的微电流具有相同值的实验结果，并且是有助于实现确保未来微电流测量精度的现行标准的结果。
图4 本实验产生的电流大小及其不确定性
未来，我们将使用通过相互比较和并行化建立的当前乘法技术来并行驱动更多元素。通过这一点，我们的目标是建立多年来一直难以实现的微电流标准。此外，通过使用多个单电子器件的技术，通过欧姆定律结合量子电流标准、量子霍尔电阻标准和约瑟夫森电压标准，量子计量三角形这一验证将表明描述微观世界的基本物理常数不存在矛盾，将有助于基础物理学的进步，并有望应用于各种精密测量技术。
已出版的杂志：纳米字母
论文标题：具有 ppm 级不确定性的 GHz 运行硅泵的通用性和倍增
作者：Shuji Nakamura、Daiki Matsumara、Gento Yamahata、Takehiko Oe、Dong-Hun Chae、Yuma Okazaki、Shintaro Takada、Michitaka Maruyama、Akira Fujiwara 和 Nobu-Hisa Kaneko
DOI：https://doiorg/101021/acsnanolett3c02858