Blokada Coulomba i tranzystory jednoelektronowe

Energia ładunku i teoria ortodoksyjna

Teoretyczny model opisujący blokadę ładunkową w prostych urządzeniach elektronicznych z pojedynczym elektronem, znany jest jako teoria ortodoksyjna, a jego główną величиной jest energia ładunku, E_C równa e-kwadrat podzielonemu przez dwa razy całkowitą pojemność wyspy. Całkowita pojemność sumuje współczynnik pojemnościowy wyspy z elektrodą źródłową, elektrodą drenującą i elektrodą bramkową. Fizycznie jest to prosta energia elektrostatyczna poniesiona przez dodanie jednego dodatkowego ładunku elementarnego na małą, słabo sprzężoną wyspę przewodzącą, a jest ona dokładnie analogiczna do energii potrzebnej do naładowania małego kondensatora jednym elektronem. Aby ta energia ładunkowa wywołała obserwowalny, ostry efekt blokady ładunkowej zamiast być wypłukany przez fluktuacje termiczne, muszą zachodzić dwa warunki: energia ładunku musi znacznie przekraczać energię termiczną w temperaturze roboczej, co oznacza, że wyspa musi być wystarczająco mała (z pojemnością całkowitą rzędu attofaradów lub mniejszą) i, odpowiednio, eksperyment powinien być zazwyczaj przeprowadzany w niskich temperaturach dla wszystkich wysp poza tymi bardzo małymi (takimi jak pojedyncze cząsteczki, gdzie osiągnięto blokadę ładunkową w temperaturze pokojowej), a także, energia tunelowania musi być znacznie większa niż rezystancja kwantowa, h podzielone przez e-kwadrat, około 25,8 kiloomów, aby zapewnić, że stan ładunku elektronu na wyspie pozostaje dobrze zdefiniowanym numerem kwantowym zamiast być rozmyty przez silne fluktuacje kwantowe przez połączenia, skutecznie wymagając tunelowania jako wolnego, niekoherencji procesu klasycznie opisywanego między dobrze zdefiniowanymi stanami ładunku zamiast tunelowania kwantowego.

Coulombowe diamenty w płaszczyźnie napięcia biasu bramki

Mapowanie różnicy przewodności pojedynczego tranzystora z jednym elektronem jako funkcji zarówno napięcia bramki, które ciągle przesuwa potencjał wyspowego, jak i napięcia biasu źród-dopływ, które ustawia dostępny okno energii dla tunelowania, daje znane Coulombowe diamenty: szereg zamkniętych, diamentowatych obszarów zerowego przewodności (blokada Coulomba, gdzie liczba elektronów na wyspie jest zablokowana przy stałej wartości całkowitej) oddzielonych przez wąskie obszary o przewodności wzdłuż linii, gdzie sądy elektronowe o sąsiednich liczbach stają się degenerowane energetycznie i może zachodzić tunelowanie pojedynczego elektrona. Przy zerowym napięciu biasu, przesuwając tylko napięcie bramki, otrzymuje się szereg ostrych, równych lub prawie równych odstępach szczytów przewodności, zwanych oscylacjami Coulomba, każdy z tych szczytów oznaczający precyzyjne napięcie bramki, przy którym liczba elektronów na wyspie może zmieniać się między N i N plus jeden; pomiędzy sąsiednimi szczytami liczba elektronów jest stała a urządzenie jest zablokowane. Przenosząc się do skończonego napięcia biasu, rozszerza się zablokowany obszar na pełny diament, a wysokość każdego diamentu wzdłuż osi napięcia biasu bezpośrednio mierzy energię ładunku (plus, dla półprzewodników kwantowych kropel, wszelkie odpowiednie odstępy poziomów pojedynczych cząstek) potrzebną do dodania tego konkretnego elektrona, a szerokość wzdłuż osi napięcia bramki odzwierciedla stosunek całkowitej pojemności wyspy do jej pojemnościowego sprzężenia z bramką, zwłaszcza nazywanego ramieniem bocznego bramki. Ten wzór diamentowy nie jest jedynie ciekawostką; jest to standardowe, ilościowe narzędzie diagnostyczne wykorzystywane w całym badaniu kwantowych kropli do wyodrębniania energii ładunku, odstępów poziomów pojedynczych cząstek i nawet wewnętrznego spektrum stanu zaszłościowego uwięzionych elektronów bezpośrednio z drobnych szczegółów linii równoległych do krawędzi diamentu w obszarach o przewodności.

Od metalowych wysp do półoparc światłowodów kwantowych

Wczesne tranzystory jednoprządowe, opracowane pod koniec lat 80. XX wieku, wykorzystywały małe metalowe wyspy, zwykle wytworzone przez shadow-evaporację aluminium przez zawiesiony materiał fotośladowy w celu utworzenia tunelowych połączeń na poziomie nanometrycznym, gdzie stany elektroniczne wyspy tworzą zasadniczo ciągłą, bezstrukturową pasmo, a obserwowana fizyka blokady Coulomba jest w pełni wyznaczona klasyczną energią ładunkową, bez wyraźnej wewnętrznej struktury kwantowej. Półoparc światłowody, z drugiej strony, zwykle wytwarzane są poprzez elektrostatyczne uwięzienie dwuwymiarowego gazu elektronowego w heterostrukturze GaAs/AlGaAs za pomocą wzorowanych elektrod brzegowych lub, jak sugeruje się bardziej recently, zdefiniowane w materiałach 2D takich jak grafen lub dwukryształy metali przejściowych lub w samounakładanych lub koloidalnych nanocząstkach, ograniczają tak mało elektronów, czasami nawet do jednego elektronu, że odstęp między pojedynczymi poziomami kwantowymi wyspy staje się porównywalny z lub nawet większy niż energia ładunkowa. W tym zakresie prostą teorię ortodoksyjną należy rozszerzyć, aby uwzględnić tę wewnętrzną strukturę kwantową i odpowiednio rozwijać dodatkową strukturę w kształcie diamentu Coulomba: dodatkowe linie biegnące równolegle do krawędzi diamentu wewnątrz obszarów zwykle przewodzących, z których każda odpowiada tunelowaniu przez odrębny pojedynczy poziom kwantowy lub stan wielu ciał elektronów uwięzionych, skutecznie przekształcając spektroskopię blokady Coulomba w potężne narzędzie do bezpośredniego mapowania wewnętrznego spektrum wzbudzeń kwantowego punktu światłowodowego, w tym stany spinowe, degeneracje orbitalne i, gdy stosuje się pole magnetyczne, podział Zeemanowski oraz sekwencyjne wypełnianie kwantowanych powłok orbitalnych podobnie jak wypełnianie elektronami powłok w rzeczywistych atomach, dlatego półoparc światłowody czasami nazywane są 'sztucznymi atomami'.

Cotunneling, wyższe rzędy procesów i podnoszenie się blokady

W idealnym, ortodoksyjnym obrazie, blokada Coulomba produkuje dokładnie zerowy prąd w każdym diamentcie, ponieważ sekwencyjne pojedyncze tunelowanie elektronowe jest tam dokładnie zabronione energetycznie. W rzeczywistych urządzeniach jednak, mniejszy, wykładniczo mniejszy prąd może nadal płynąć przez zablokowaną strefę za pomocą cotunnelingu, wyższego rzędu procesu kwantowego, w którym elektron tuneluje przez klasycznie zabroniony stan pośredni tak szybko, wykorzystując zależność energia-czas niepewności, że ten stan pośredni nigdy nie musi być uważany za rzeczywistą, rozróżnialną konfigurację, skutecznie umożliwiając elektronowi koherentne tunelowanie z jednego źródła do drenu (lub odwrotnie) w pojedynczym połączonym zdarzeniu kwantowym bez konieczności pozostawiania dodatkowego ładunku na wyspie przez rozpościeralny czas. Elastyczny cotunneling pozostawia wewnętrzny stan kwantowy wyspy niezmieniony, podczas gdy nieelastyczny cotunneling może pozostawić wyspę w wzbudzonym stanie wewnętrznym, a badanie początku i wielkości prądu cotunnelingu dostarcza kolejnego wrażliwego czujnika struktury wewnętrznej kwantowego punktu oraz wyższych rzędów procesów tunelowania ogólnie. Dodatkowo, jeśli opory połączenia tunelowych są obniżone zbyt blisko granicy oporu kwantowego lub występuje wyższa temperatura lub większe szybkości tunelowania, koherentne fluktuacje ładunku przez stykami coraz bardziej wypłukują dobrze zdefiniowaną kwantyzację ładunków, a ostry obraz blokady Coulomba stopniowo ulega rozmyciu w postaci ciągłej zależności przewodności, oznaczającej przejście od klasycznego tunelowania pojedynczego elektronu opisane w teorii ortodoksyjnej do bardziej sprzężonego, kwantowo koherentnego trybu transportu.

Zastosowania: elektrometry, kwanty i metrologia

Oprócz roli wiodącej w badaniach nad nanoelektroniką, ekstremalna wrażliwość na ładunek blokady Coulomba, zdolna zasadniczo do rozróżniania frakcji pojedynczego elementarnego ładunku poruszającego się w pobliżu wyspy, sprawiła, że transzdrajuchowe tranzystory jednielektronowe stały się niezwykle wrażliwymi elektrometrami, wykorzystywanymi na przykład jako ultrawrażliwe detektory ładunków do odczytywania stanu pobliskich kwantów spinowych w architekturach półopartych na spinach kwantowych i nadprzewodzących komputerach kwantowych, gdzie blisko położony tranzystor jednelektronowy lub kontakt kwantowy może nieinwazyjnie wykrywać obecność lub brak pojedynczego elektronu na sąsiednim kwancie bez zakłócania delikatnego stanu kwantowego mierzonego. W przypadku szczególnie kwantowych spinów opartej na kwantowych kropkach półopartych na półprzewodnikach, precyzyjna kontrola blokady Coulomba i wynikające z tego dobrze zdefiniowane stany ładunku jednelektronowe są niezbędnym warunkiem koniecznym do izolowania i manipulowania indywidualnymi spinami elektronów jako fizycznego kwantu, ponieważ blokada Coulomba jest dokładnie tym, co pozwala badaczowi deterministycznie ładować, utrzymywać i odczytywać określoną, zliczalną liczbę elektronów na bramkowanej kropce półopartych na półprzewodnikach. Urządzenia transzdrajuchowe jednelektronowe były również badane w aplikacjach metrologicznych, a mianowicie jako potencjalna ścieżka prowadząca do fundamentalnego standardu prądu, w którym dokładnie zliczony, zegarowany napięciem bramkowym sekwencja pojedynczych elektronów tunelujących jeden po drugim definiuje prąd elektryczny bezpośrednio od ładunku elementarnego i częstotliwości zegara, jako część szerszego międzynarodowego wysiłku mającego na celu realizację ampera i innych jednostek elektrycznych bezpośrednio z stałych fundamentalnych zamiast standardów opartych na artefaktach.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Coulomb Blockade and Single-Electron Transistors i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.