Кулонова блокування та транзистори з окремого електрона

Зарядження енергії та ортодоксальна теорія

Теоретичний каркас, що описує кулонове блокування в найпростіших металевих пристроях з окремим електроном, відомий як ортодоксальна теорія, і його ключова величина – енергія заряду (E_C), яка дорівнює квадрату заряду (e) поділену на два рази загальну ємність острова. Загальна ємність включає ємнісне з’єднання острова із джерельною та дренажною електродами, а також затворною. Фізично це просто енергетийна вартість електростатичного заряду одного додаткового елементарного заряду на невеликий, слабо зв'язаний провідник, і вона точно аналогічна енергії, необхідній для зарядки мікрокапітатора одним електроном. Для того щоб ця енергія заряду спричинила спостережуваний, різкий ефект кулонового блокування замість того, щоб бути змитою тепловими флуктуаціями, повинні виконуватися два умови: енергія заряду має значно перевищувати теплову енергію при робочій температурі, тобто острів повинен бути достатньо малим (з загальною ємністю порядку аттофарад або менше), і, відповідно, експеримент зазвичай проводиться при криогенних температурах для островів, таких як окремі молекули, де досягнуто кулонове блокування при кімнатній температурі. Крім того, тунельні з’єднання між островом та джерельною та дренажною електродами повинні мати опір тунелювання значно вище квантового опору (h/e^2), приблизно 25,8 кОм, що є умовою для того, щоб заряд електрона на острові залишався добре визначеним квантовим числом, а не розмивався сильними квантовими флуктуаціями заряду через з’єднання, по суті, вимагаючи, щоб тунелювання було повільним, некогерентним та класично описуваним між чітко визначеними станами заряду, а не когерентним квантовим тунелюванням.

Кулонові діаманти в площині напруги заслінкового контакту

Картування диференційного опору одноелектронного транзистора як функцію від напруги заслінкового контакту, яка безперервно зміщує електроекологічний потенціал острова, та напруги джерела-сток, яка встановлює енергетичне вікно для тунелювання, дає відомий малюнок кулонових діамантів: серія закритих, діамантоподібних областей з нульовою провідністю (кулонова блокада, де число електронів на острові закріплене за фіксованим цілим значенням), розділених вузькими провідними областями вздовж ліній, де два сусідні стани числа електронів заряджаються в енергії та може відбуватися одноелектронне тунелювання. При нульовій напрузі джерела-сток, переміщення лише напруги заслінкового контакту дає серію різких, рівномірно або майже рівномірно розташованих піків провідності, які називають кулоновими коливаннями, кожен пік позначає точну напругу заслінкового контакту, при якій електронний стан острова може коливатися між N і N плюс один; між послідовними піками електронний стан закріплений, і пристрій блоковано. Перехід до кінцевої напруги джерела-сток розширює заблоковану область до повноцінного діаманта, а висота кожного діаманта вздовж осі напруги джерела-сток безпосередньо вимірює енергію зарядки (плюс, для напівпровідникових квантових крапель, будь-яке відповідне відстань рівнів окремих частинок), тоді як ширина вздовж осі напруги заслінкового контакту відображає відношення загальної ємності острова до його емнінного з’єднання з заслінковим контактом, зокрема, назване «заслінковий лебідь». Цей малюнок діамантів не є просто цікавиною; це стандартний, кількісний інструмент діагностики, який використовується в квантових краплях для вилучення енергії зарядки, відстаней рівнів окремих частинок і навіть внутрішського спектру збуджених станів ув’язнених електронів безпосередньо з мікроструктури ліній, паралельних краям діаманта всередині провідних областей.

Від металевих островів до квантових точок напівпровідників

Найранніші одноелектронні транзистори, розроблені в кінці 1980-х років, використовували невеликі металеві острови, зазвичай створені шляхом тіньового випарювання алюмінію через підвішений захисний шар, для створення наномікроскопічних тунельних з’єднань, де електронні стани острова утворюють практично безперервний, неструктурований провідний пояс, тому спостерігається фізика Coulomb blockade лише за рахунок класичної електростатичної енергії заряджання, без будь-якої вираженої внутрішньої квантової структури. Квантові точки напівпровідників, навпаки, зазвичай виготовляються шляхом електростатичного ув’язнення бідувімірного електронного газу в гетероструктурі GaAs/AlGaAs за допомогою зразків поверхневих гатів або, більш нещодавно, визначених у 2D матеріалах, таких як графен або діоксид хрому, або всередині самозбираючих або колоїдних нанокристалів, утримують таку кількість електронів, іноді навіть один електрон, що робить відстань між квантовими рівняннями внутрішнього острова порівнянною або навіть більшою за енергію заряджання. В цьому режимі просту ортодоксальну теорію необхідно розширити, включивши цю внутрішню квантову структуру явно, і характерний діамантоподібний малюнок розвиває додаткову дрібну структуру: додаткові лінії, що йдуть паралельно до країв діаманта в тих областях, які зазвичай проводять, кожна з яких відповідає тунелюванню через окрему підігріту електронну або багатокорпусну стадію ув’язнених електронів, по суті перетворюючи спектроскопію Coulomb blockade на потужний інструмент для безпосереднього відображення внутрішнього розряду налаштування квантової точки, включаючи спін-стани, орбітальну дегенерацію та, коли застосовується магнітне поле, зсув Зеемана та послідовне заповнення квантованих оболонок орбіталів, подібно до заповнення електронних оболонок справжніх атомів, тому квантові точки напівпровідників іноді називають «штучними атомами».

Котунобій, вищі порядки процесів та зняття блокади

У ідеалізованій ортодоксальній картині котуневий бар’єр створює нульовий струм всередині кожного самоцетра, оскільки послідовний одноелектронний тунелювання точно енергетично заборонений там. Однак у реальних пристроях через котунобій – вищий порядок квантового процесу, коли електрон тунелює крізь класично заборонену проміжну зарядну стацію, використовуючи відношення енергії та часу, – все ще може протікати невеликий струм через заблокований регіон. Електрон когерентно проходить від джерела до стоку (або навпаки) в одній квантовій події без будь-яких змін у внутрішньому стані самоцетра. Еластичний котунобій не змінює квантовий стан самоцетра, а нелінійний може призвести до зміни його внутрішнього стану. Вивчення початку та величини струму котунобію є чутливим інструментом для вивчення внутрішньої структури квантового нанорозміру та вищих порядків тунелювання. Крім того, якщо опори тунельних з’єднань знижуються до рівня квантового опору, або якщо присутні вищі температури чи швидкість тунелювання, когерентні коливання заряду через з’єднання поступово згладжують чітку котуневу блокаду, що свідчить про перехід від класичного режиму одноелектронного тунелювання, описаного ортодоксальною теорією, до більш сильно зв'язаного квантово-когерентного режиму транспорту.

Застосування: електрометрія, кубіти та метрологія

Крім своєї основоположної ролі в дослідженнях наноелектроніки, екстремна чутливість заряду ефекту Coulomb blockade – здатний принципово розрізняти дроті між собою частки одного елементарного заряду, що рухаються поблизу острова – зробила одно-електронні транзистори надзвичайно чутливими електрометрами, які використовуються, наприклад, як надчутливі детектори заряду для вимірювання стану сусідніх кубітів у архітектурах на основі спінових кубітів та надпровідних квантових обчислень, де побличний одно-електронний транзистор або квантова точка можуть неінвазивно відчувати присутність чи відсутність одного електрона на сусідньому квантовому точці без порушення крихкої вимірюваної квантової стани. У випадку кубітів на основі квантових крапель, точна регулювання Coulomb blockade та відповідні добре визначені одно-електронні зарядові стани є необхідною умовою для ізоляції та маніпулювання окремими спінами електронів як фізичним кубітом, оскільки Coulomb blockade і є тим, що дозволяє досліднику детерміновано завантажувати, тримати та читати певну, підрахункову кількість електронів на заданому квантовому краплі. Одно-електронні транзистори тунелювання також розглядалися для метрологічних застосувань, зокрема як потенційний шлях до фундаментального стандарту струму, де точно підрахований, за допомогою напруги на клапані, синхронізований потік одно-електронних тунелюючих один за одним електронів визначає електричний струм безпосередньо від елементарного заряду та частоти годинника, частина ширшого міжнародного зусилля щодо реалізації ампера та інших електричних одиниць безпосередньо від фундаментальних констант, а не на основі артефактних стандартів.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Coulomb Blockade and Single-Electron Transistors і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.