Kvantepunktkontakt

Kvantepunktkontakt ( CPC ) er en snæver indsnævring mellem to brede elektrisk ledende områder, hvis bredde er sammenlignelig med elektronernes bølgelængde (fra nanometer til mikrometer) [2] .

Betydningen af ​​CTC'er ligger i det faktum, at de beviser kvantiseringen af ​​ballistisk ledningsevne i mesoskopiske systemer. CPC 's ledningsevne er kvantificeret i enheder , de såkaldte ledningskvanta .

Kvantepunkter blev først rapporteret i 1988 af en hollandsk gruppe ved Delft University of Technology og Philips Research [1] og uafhængigt af en britisk gruppe ved Cavendish Laboratory [3] . De bygger på tidligere arbejde fra en britisk gruppe, der viste, hvordan splittede porte kan bruges til at omdanne en 2D elektrongas til en 1D-kanal, først i silicium [4] og derefter i galliumarsenid [5] [6] .

Denne kvantisering ligner Hall-konduktivitetskvantiseringen , men måles i fravær af et magnetfelt. Konduktivitetskvantisering i et nulfelt og en jævn overgang til kvante-Hall-effekten ved påføring af et magnetfelt er i det væsentlige en konsekvens af ligefordelingen af ​​strømmen mellem et helt antal udbredelsestilstande i indsnævringen.

Fremstilling

Der er flere forskellige måder at få en kvantepunktkontakt på. Dette kan implementeres i en knækkende samling ved at bryde et stykke metalleder, indtil det knækker. Knækpunktet danner en punktkontakt. I en mere kontrolleret metode laves kvantepunktkontakter i form af en todimensionel elektrongas (2DEG), såsom i GaAs / AlGaAs heterostrukturer . Ved at påføre en spænding til passende formede gate-elektroder kan elektrongassen lokalt udtømmes, og mange forskellige typer ledende områder kan skabes i 2DEG-planet, herunder kvanteprikker og kvantepunktkontakter. En anden måde at skabe en CTC på er at placere spidsen af ​​et scanning tunneling mikroskop tæt på overfladen af ​​lederen.

Karakteristika

Geometrisk er en kvantepunktkontakt en indsnævring i den tværgående retning, der modstår elektronernes bevægelse . Påføring af spænding gennem en punktkontakt forårsager passage af en strøm, størrelsen af ​​denne strøm bestemmes af udtrykket , hvor  er kontaktens ledningsevne . Denne formel ligner Ohms lov for makroskopiske modstande. Der er dog en fundamental forskel forbundet med systemets lille størrelse, hvilket kræver en kvantemekanisk analyse [7] .

Den mest udbredte er undersøgelsen af ​​CTC i todimensionelle elektrongasser. Den geometriske indsnævring af punktkontakten omdanner således ledningen gennem hullet til et endimensionelt system. Desuden kræver dette en kvantemekanisk beskrivelse af systemet, hvilket fører til kvantisering af ledningsevnen. Kvantemekanisk er strømmen gennem en punktkontakt ensartet fordelt mellem endimensionelle underbånd eller tværgående tilstande i en indsnævring.

Det er vigtigt at bemærke, at den tidligere diskussion ikke tager højde for mulige overgange mellem tilstande (ingen spredning). Landauers formel kan generaliseres til at udtrykke disse mulige overgange

,

hvor  er en overgangsmatrix, der inkluderer ikke-nul overgangssandsynligheder fra mode n til mode m .

Ved lave temperaturer og spændinger har de uspredte og ikke-fangede elektroner (i fælder), der bidrager til strømmen, en bestemt energi/momentum/bølgelængde, kaldet Fermi -energien /momentum/bølgelængde. Som i en bølgeleder fører lateral indeslutning i en kvantepunktforbindelse til "kvantisering" af den laterale bevægelse - den laterale bevægelse kan ikke ændre sig kontinuerligt, men skal have form af en af ​​en række diskrete tilstande. Bølgelederanalogien er anvendelig, så længe kohærens ikke går tabt på grund af spredning, for eksempel ved en defekt eller en fælde. En elektronbølge kan kun passere gennem en indsnævring, hvis den konstruktivt interfererer, hvilket for en given indsnævringsbredde kun forekommer for et vist antal tilstande . Den strøm, der bæres af en sådan kvantetilstand, er produktet af hastigheden og elektrondensiteten. Disse to mængder adskiller sig selv fra en tilstand til en anden, men deres produkt er uafhængig af tilstanden. Som en konsekvens bidrager hver stat med det samme beløb for hvert spin til systemets samlede ledningsevne .

Dette er et grundlæggende resultat; ledningsevnen tager ikke vilkårlige værdier, men kvantiseres i multipla af ledningskvantumet , som udtrykkes i form af elektronladningen og Plancks konstant . Heltallet bestemmes af bredden af ​​punktkontakten og er omtrent lig med bredden divideret med halvdelen af ​​elektronens bølgelængde. Afhængigt af bredden af ​​punktkontakten (eller gatespændingen i tilfælde af GaAs/AlGaAs heterostrukturenheder), udviser konduktansen trinadfærd, da flere og flere tilstande (eller kanaler) bidrager til elektrontransport. Trinhøjden bestemmes af udtrykket .

Eksperimentelt, når temperaturen stiger, finder man ud af, at plateauerne får en begrænset hældning, indtil de holder op med at løse sig. Dette er en konsekvens af den termiske udtværing af Fermi-Dirac-fordelingen . Ledningstrinene bør forsvinde ved temperatur (for GaAs/AlGaAs) (her er ∆ E  opdelingen af ​​underbåndet på Fermi-niveauet ). Dette bekræftes af både forsøg og numeriske beregninger [8] .

Et eksternt magnetfelt påført en kvantepunktkontakt fjerner spindegeneration og fører til halvheltals ledningstrin. Derudover bliver antallet af tilstande, der bidrager, mindre. For store magnetiske felter afhænger det ikke af den indsnævrede bredde, og er givet af en anden teori om kvante Hall-effekten . Et interessant træk er plateauet , den såkaldte 0,7-anomali forbundet med elektron-elektron-interaktionen .

Ansøgninger

Ud over at studere det grundlæggende i ladningstransport i mesoskopiske ledere, kan kvantepunktkontakter bruges som ekstremt følsomme ladningsdetektorer. Da konduktansen gennem kontakten er meget afhængig af størrelsen af ​​indsnævringen, vil eventuelle potentielle fluktuationer (f.eks. genereret af andre elektroner) i nærheden påvirke strømmen gennem CPC'en. Ifølge dette skema er det muligt at detektere enkelte elektroner. I forbindelse med kvanteberegning i solid state -systemer kan QTC'er bruges som enheder til at aflæse tilstanden af ​​en kvantebit (qubit) [9] [10] [11] [12] . I fysik bruges CTC-konfigurationen til at demonstrere en fuldt ballistisk FET [13] . En anden anvendelse af enheden er dens brug som en switch. Nikkeltråden bringes tæt nok på guldoverfladen, og ved hjælp af et piezoelektrisk drev kan afstanden mellem ledningen og overfladen ændres, og dermed skifter apparatets transportegenskaber mellem elektrontunnelering og ballistisk [14 ] .

Noter

  1. ↑ 1 2 B.J. van Wees (1988). "Kvantiseret ledningsevne af punktkontakter i en todimensionel elektrongas". Fysiske anmeldelsesbreve . 60 (9): 848&ndash, 850. Bibcode : 1988PhRvL..60..848V . DOI : 10.1103/PhysRevLett.60.848 . PMID  10038668 .
  2. ↑ H. van Houten (1996). Quantum punkt kontakter. Fysik i dag . 49 (7): 22&ndash, 27. arXiv : cond-mat/0512609 . Bibcode : 1996PhT....49g..22V . DOI : 10.1063/1.881503 .
  3. ↑ D. A. Wharam (1988). "Endimensionel transport og kvantisering af den ballistiske modstand" . J Phys. C. _ 21 (8): L209-L214. Bibcode : 1988JPhC...21L.209W . DOI : 10.1088/0022-3719/21/8/002 .
  4. ↑ CCDean og M. Pepper (1982). "Overgangen fra to- til en-dimensionel elektronisk transport i smalle siliciumakkumuleringslag." J Phys. C. _ 15 (36): L1287-L1297. Bibcode : 1982JPhC...15.1287D . DOI : 10.1088/0022-3719/15/36/005 .
  5. ↑ TJ Thornton (1986). "Endimensionel ledning i 2D-elektrongas af en GaAs-AlGaAs Heterojunction". Fysiske anmeldelsesbreve . 56 (11): 1198-1201. Bibcode : 1986PhRvL..56.1198T . DOI : 10.1103/PhysRevLett.56.1198 . PMID  10032595 .
  6. ↑ KF. Berggren (1986). "Magnetisk depopulation af 1D underbånd i en smal 2D elektrongas i en GaAs:AlGaAs Heterojunction". Fysiske anmeldelsesbreve . 57 (14): 1769-1772. Bibcode : 1986PhRvL..57.1769B . DOI : 10.1103/PhysRevLett.57.1769 . PMID  10033540 .
  7. ↑ Pearsall. Quantum Photonics, 2. udgave. — ISBN 978-3-030-47324-2 . - doi : 10.1007/978-3-030-47325-9 .
  8. ↑ 1 2 C. W. J. Beenakker og H. van Houten (1991). "Kvantetransport i halvleder nanostrukturer". Faststoffysik . 44 : 1-228. arXiv : cond-mat/0412664 . Bibcode : 2004cond.mat.12664B . DOI : 10.1016/s0081-1947(08)60091-0 .
  9. ↑ JM Elzerman (2003). Få-elektron kvantepunktkredsløb med integreret ladningsudlæsning. Fysisk gennemgang B. 67 (16): 161308. arXiv : cond-mat/0212489 . Bibcode : 2003PhRvB..67p1308E . DOI : 10.1103/PhysRevB.67.161308 .
  10. ↑ M. Field (1993). "Målinger af Coulomb-blokade med en ikke-invasiv spændingssonde". Fysiske anmeldelsesbreve . 70 (9): 1311-1314. Bibcode : 1993PhRvL..70.1311F . DOI : 10.1103/PhysRevLett.70.1311 . PMID 10054344 .  
  11. ↑ JM Elzerman (2004). "Enkeltskudsudlæsning af et individuelt elektronspin i en kvanteprik." natur . 430 (6998): 431-435. arXiv : cond-mat/0411232 . Bibcode : 2004Natur.430..431E . DOI : 10.1038/nature02693 . PMID 15269762 .  
  12. ↑ JR Petta (2005). "Kohærent manipulation af koblede elektronspin i halvlederkvanteprikker". videnskab . 309 (5744): 2180-2184. Bibcode : 2005Sci...309.2180P . DOI : 10.1126/science.1116955 . PMID 16141370 .  
  13. ↑ E. Gremion (2010). "Bevis på en fuldt ballistisk endimensionel felteffekttransistor: Eksperiment og simulering". Anvendt fysik bogstaver . 97 (23): 233505. Bibcode : 2010ApPhL..97w3505G . DOI : 10.1063/1.3521466 .
  14. ↑ Smith, DPE (1995). "Quantum Point Contact Switches" . videnskab . 269 ​​(5222): 371-3. Bibcode : 1995Sci...269..371S . DOI : 10.1126/science.269.5222.371 . PMID  17841257 . Arkiveret fra originalen 2021-04-27 . Hentet 30. maj 2020 . Forældet parameter brugt |deadlink=( hjælp )

Litteratur