Кулоновская блокада

Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в значительной степени непроверенным, поскольку в нем отсутствует достаточное количество соответствующих встроенных ссылок . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Май 2012 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Схематическое изображение (аналогично зонной диаграмме ) туннелирования электрона через барьер

В мезоскопической физике , A кулоновская блокада ( СВ ), названная в честь Карл-Огюстен де кулоновского «ы электрической силы , является снижением электрической проводимости при малых напряжениях смещения небольшого электронного устройства , содержащем , по меньшей мере , один низко- емкости туннельного перехода . ^[1] Из-за выключателя проводимость устройства может не быть постоянной при низких напряжениях смещения, но исчезать при смещениях ниже определенного порога, т. Е. Ток не течет.

Кулоновскую блокаду можно наблюдать, сделав устройство очень маленьким, вроде квантовой точки . Когда устройство достаточно мало, электроны внутри устройства будут создавать сильное кулоновское отталкивание, не позволяющее другим электронам течь. Таким образом, устройство больше не будет подчиняться закону Ома, и вольт-амперная зависимость кулоновской блокады выглядит как лестница. ^[2]

Хотя кулоновскую блокаду можно использовать для демонстрации квантования электрического заряда , она остается классическим эффектом, и его основное описание не требует квантовой механики . Однако, когда несколько электронов участвуют и внешнее статическое магнитное поле прикладывается, кулоновская блокада обеспечивает основу для спиновой блокады (как Паули спина блокада) и долины блокады , ^[3] , которые включают в себя квантово - механические эффекты , обусловленные спиновых и орбитальных взаимодействий соответственно между электронами.

Устройства могут состоять из металлических или сверхпроводящих электродов . Если электроды сверхпроводящие, куперовские пары (с зарядом минус два элементарных заряда ) несут ток. В случае, когда электроды металлические или нормально проводящие , то есть не сверхпроводящие или полупроводниковые , электроны (с зарядом ) переносят ток.${\ displaystyle -2e}$${\ displaystyle -e}$

На перекрестке туннелей [ править ]

Следующий раздел относится к случаю туннельных переходов с изолирующим барьером между двумя нормально проводящими электродами (переходы NIN).

Туннельный переход в своей простейшей форме, тонкий изолирующий барьер между двумя проводящими электродами. Согласно законам классической электродинамики , ток не может проходить через изолирующий барьер. Однако согласно законам квантовой механики существует отличная от нуля (больше нуля) вероятность того, что электрон на одной стороне барьера достигнет другой стороны (см. Квантовое туннелирование ). Когда приложено напряжение смещения , это означает, что будет ток, и, если пренебречь дополнительными эффектами, туннельный ток будет пропорционален напряжению смещения. С электрической точки зрения туннельный переход ведет себя как резистор.с постоянным сопротивлением, также известный как омический резистор . Сопротивление экспоненциально зависит от толщины барьера. Обычно толщина барьера составляет от одного до нескольких нанометров .

Расположение двух проводников с изолирующим слоем между ними имеет не только сопротивление, но и конечную емкость . Изолятор также называют диэлектриком, в этом контексте туннельный переход ведет себя как конденсатор .

Из-за дискретности электрического заряда ток через туннельный переход представляет собой серию событий, в которых ровно один электрон проходит ( туннелирует ) через туннельный барьер (мы пренебрегаем котуннелированием, когда два электрона туннелируют одновременно). Конденсатор туннельного перехода заряжается одним элементарным зарядом туннельным электроном, вызывая нарастание напряжения , где - емкость перехода. Если емкость очень мала, нарастание напряжения может быть достаточно большим, чтобы предотвратить туннелирование другого электрона. Затем электрический ток подавляется при низких напряжениях смещения, и сопротивление устройства перестает быть постоянным. Увеличение дифференциального сопротивления${\ displaystyle U = e / C}$${\ displaystyle C}$ вокруг нулевого смещения называется кулоновской блокадой.

Наблюдение [ править ]

Чтобы кулоновская блокада была наблюдаемой, температура должна быть достаточно низкой, чтобы характерная энергия заряда (энергия, необходимая для зарядки перехода одним элементарным зарядом) была больше тепловой энергии носителей заряда. В прошлом для емкостей выше 1  фемтофарада (10 ^-15  фарад ) это означало, что температура должна быть ниже примерно 1  кельвина . Этот диапазон температур обычно достигается, например, в холодильниках с гелием-3 . Благодаря квантовым точкам небольшого размера всего в несколько нанометров кулоновская блокада наблюдалась при температурах выше жидкого гелия, вплоть до комнатной. ^{[4] [5]}

Чтобы создать туннельный переход в геометрии пластинчатого конденсатора с емкостью 1 фемтофарад, используя оксидный слой с диэлектрической проницаемостью 10 и толщиной один нанометр , необходимо создать электроды с размерами приблизительно 100 на 100 нанометров. Этот диапазон размеров обычно достигается, например, с помощью электронно-лучевой литографии и соответствующих технологий передачи рисунка , таких как метод Нимейера – Долана , также известный как метод теневого испарения.. Для кремния была достигнута интеграция изготовления квантовых точек со стандартной промышленной технологией. Реализован КМОП-процесс для массового производства одноэлектронных транзисторов с квантовыми точками с размером канала до 20 нм x 20 нм. ^[6]

Одноэлектронный транзистор [ править ]

Простейшим устройством, в котором можно наблюдать эффект кулоновской блокады, является так называемый одноэлектронный транзистор . Он состоит из двух электродов, известных как сток и исток , подключенных через туннельные переходы к одному общему электроду с низкой собственной емкостью , известному как островок . Электрический потенциал острова можно регулировать с помощью третьего электрода, известного как затвор , который емкостно связан с островом.

В состоянии блокировки нет доступных энергетических уровней в пределах диапазона туннелирования электрона (выделено красным) ^{[ требуется пояснение ]} на контакте с источником. Все энергетические уровни на островном электроде с более низкими энергиями заняты.

Когда на электрод затвора подается положительное напряжение, уровни энергии островного электрода снижаются. Электрон (зеленый 1.) может туннелировать на остров (2.), занимая ранее свободный энергетический уровень. Оттуда он может туннелировать на электрод стока (3.), где он неупруго рассеивается и достигает уровня Ферми электрода стока (4.).

Уровни энергии островного электрода равномерно распределены с разделением. Это приводит к возникновению собственной емкости островка, определяемой как${\ displaystyle \ Delta E.}$${\ displaystyle C}$

${\ displaystyle C = {\ frac {e ^ {2}} {\ Delta E}}.}$

Для достижения кулоновской блокады необходимо соблюдение трех критериев:

1. Напряжение смещения должно быть меньше элементарного заряда, деленного на собственную емкость острова  :;${\ displaystyle V _ {\ text {bias}} <{\ frac {e} {C}}}$
2. Тепловая энергия в контакте источника плюс тепловая энергия в островке, т.е. должна быть ниже энергии заряда: иначе электрон сможет пройти через КТ посредством теплового возбуждения; а также${\ displaystyle k _ {\ rm {B}} T,}$${\ displaystyle k _ {\ rm {B}} T <{\ frac {e ^ {2}} {2C}},}$
3. Туннельное сопротивление должно быть больше, чем получено из принципа неопределенности Гейзенберга . ^[7]${\ displaystyle R _ {\ rm {t}},}$${\ displaystyle {\ frac {h} {е ^ {2}}},}$

Термометр кулоновской блокады [ править ]

Типичный термометр для кулоновской блокады (CBT) состоит из множества металлических островков, соединенных друг с другом тонким изолирующим слоем. Между островками образуется туннельный переход, и при приложении напряжения электроны могут туннелировать через этот переход. Скорость туннелирования и, следовательно, проводимость изменяются в зависимости от энергии заряда островков, а также тепловой энергии системы.

Термометр кулоновской блокады - это первичный термометр, основанный на характеристиках электропроводности массивов туннельных переходов. Параметр V _½ = 5,439Nk _B T / e, полная ширина на половине минимума измеренного провала дифференциальной проводимости по массиву N переходов вместе с физическими константами обеспечивает абсолютную температуру.

Ионная кулоновская блокада [ править ]

Ионно-кулоновская блокада ^[8] (ICB) представляет собой частный случай CB, проявляющийся в электродиффузионном переносе заряженных ионов через субнанометровые искусственные нанопоры ^[9] или биологические ионные каналы. ^[10] ICB во многом аналогичен своему электронному аналогу в квантовых точках, ^[1] но имеет некоторые особенности, определяемые, возможно, различной валентностью z носителей заряда (проникающие ионы по сравнению с электронами) и разным происхождением транспортного двигателя (классическая электродиффузия против квантовое туннелирование).

В случае ICB кулоновская щель определяется диэлектрической собственной энергией поступающего иона внутри поры / канала.${\ displaystyle \ Delta E}$

$${\ displaystyle \ Delta E = {\ frac {z ^ {2} e ^ {2}} {2C}}}$$

${\ textstyle \ Delta E}$

${\ textstyle (\ Delta E \ gg k _ {\ rm {B}} T)}$

${\ displaystyle z> = 2}$

${\ displaystyle {\ ce {Ca ^ 2 +}}}$

ICB недавно был экспериментально обнаружен в порах субнанометрового размера. ^[9]${\ displaystyle {\ ce {MoS2}}}$

В биологических ионных каналах ICB обычно проявляется в таких явлениях валентной селективности, как зоны проводимости (по сравнению с фиксированным зарядом ) и зависимая от концентрации двухвалентная блокада натриевого тока. ^{[10] [11]}${\ displaystyle {\ text {Ca}} ^ {2+}}$${\ displaystyle Q _ {\ rm {f}}}$

Ссылки [ править ]

Общий

• Однозарядное туннелирование: феномены кулоновской блокады в наноструктурах , под ред. Х. Граберт и М. Х. Деворет (Plenum Press, Нью-Йорк, 1992)
• Аверин Д.В., Лихарев К.К. Мезоскопические явления в твердом теле / ​​Под ред. Б.Л. Альтшулер, П.А. Ли и Р.А. Уэбб (Эльзевир, Амстердам, 1991 г.)
• Фултон, TA; Долан, GJ (1987). «Наблюдение эффектов одноэлектронной зарядки в малых туннельных переходах». Phys. Rev. Lett . 59 (1): 109–112. Bibcode : 1987PhRvL..59..109F . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.59.109 . PMID  10035115 .

Внешние ссылки [ править ]

• Книга "Вычислительная одиночная электроника"
• Онлайн-лекция по кулоновской блокаде