Квантовый точечный контакт
Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( май 2021 г. ) |
Квантовый точечный контакт ( КТК ) представляет собой узкое сужение между двумя широкими электропроводящими областями, ширина которых сравнима с электронной длиной волны (от нано-микрометра). [1]
Важность КПК заключается в том, что они доказывают квантование баллистической проводимости в мезоскопических системах. Проводимость QPC квантуется в единицах , так называемый квант проводимости .
О контактах квантовых точек впервые сообщили в 1988 году голландская группа из Делфтского технологического университета и исследовательской компании Philips Research. [2] и независимо британской командой из Кавендишской лаборатории . [3] Они основаны на более ранней работе британской группы, которая показала, как можно использовать разделенные затворы для преобразования двумерного электронного газа в одномерный, сначала в кремнии. [4] а затем в арсениде галлия . [5] [6]
Это квантование напоминает квантование холловской проводимости , но измеряется в отсутствие магнитного поля. Квантование проводимости в нулевом поле и плавный переход к квантовому эффекту Холла при приложении магнитного поля по существу являются следствием равнораспределения тока между целым числом распространяющихся мод в сужении.
Изготовление
[ редактировать ]Существует несколько различных способов изготовления квантового точечного контакта. Его можно реализовать в разрывном соединении , растягивая кусок проводника до его разрыва. Точка разрыва образует точечный контакт. Более контролируемым образом квантовые точечные контакты формируются в двумерном электронном газе (2DEG), например, в GaAs / AlGaAs гетероструктурах . Подавая напряжение на электроды затвора подходящей формы, электронный газ может быть локально обеднен и в плоскости 2DEG может быть создано множество различных типов проводящих областей, в том числе квантовые точки и квантовые точечные контакты. Другой способ создания QPC — размещение кончика сканирующего туннельного микроскопа близко к поверхности проводника.
Характеристики
[ редактировать ]Геометрически квантовый точечный контакт представляет собой сужение в поперечном направлении, которое оказывает сопротивление движению электронов . Подача напряжения через точечный контакт вызывает протекание тока, величина этого тока определяется выражением , где это проводимость контакта. Эта формула напоминает закон Ома для макроскопических резисторов. Однако здесь есть фундаментальное отличие, обусловленное небольшим размером системы, которое требует квантовомеханического анализа. [7]
Чаще всего КФХ изучают в двумерных электронных газах. Таким образом, геометрическое ограничение точечного контакта превращает проводимость через отверстие в одномерную систему. Более того, это требует квантовомеханического описания системы, которое приводит к квантованию проводимости. Квантово-механически ток через точечный контакт равномерно распределяется между одномерными подзонами или поперечными модами в сужении.
Важно отметить, что предыдущее обсуждение не учитывает возможные переходы между режимами. Формулу Ландауэра действительно можно обобщить, чтобы выразить возможные переходы.
,
где — матрица перехода, которая включает в себя ненулевые вероятности передачи из режима n в режим m .
При низких температурах и напряжениях нерассеянные и незахваченные электроны, участвующие в токе, имеют определенную энергию/импульс/длину волны, называемую Ферми энергией /импульсом/длиной волны . Как и в волноводе , поперечное ограничение в контакте квантовой точки приводит к «квантованию» поперечного движения — поперечное движение не может меняться непрерывно, а должно быть одним из ряда дискретных режимов. Аналогия с волноводом применима до тех пор, пока когерентность не теряется из-за рассеяния, например, из-за дефекта или места захвата. Электронная волна может пройти через перетяжку только в том случае, если она конструктивно интерферирует, что при заданной ширине перетяжки происходит только для определенного числа мод. . Ток, переносимый таким квантовым состоянием, является произведением скорости на плотность электронов. Эти две величины сами по себе различаются от одного режима к другому, но их произведение не зависит от режима. Как следствие, каждое государство вносит одинаковую сумму на направление спина к общей проводимости .
Это фундаментальный результат; проводимость не принимает произвольных значений, а квантуется кратно кванту проводимости , который выражается через заряд электрона и постоянная Планка . Целое число определяется шириной точечного контакта и примерно равна ширине, разделенной на половину длины волны электрона . В зависимости от ширины точечного контакта (или напряжения затвора в случае гетероструктурных устройств GaAs/AlGaAs) проводимость демонстрирует лестничное поведение, поскольку все больше и больше мод (или каналов) вносят вклад в транспорт электронов. Высота ступеньки определяется выражением .
При повышении температуры экспериментально обнаруживают, что плато приобретают конечный наклон до тех пор, пока не перестанут разрешаться. Это следствие термического размытия распределения Ферми-Дирака . Ступени проводимости должны исчезнуть при (здесь ∆E — расщепление подзоны на уровне Ферми ). Это подтверждено как экспериментом, так и численными расчетами. [9]
Внешнее магнитное поле, приложенное к контакту квантовой точки, снимает спиновое вырождение и приводит к полуцелым шагам проводимости. Кроме того, число мод, вносящих вклад, становится меньше. Для больших магнитных полей не зависит от ширины перетяжки, заданной теорией квантового эффекта Холла .
Аномалия 0,7
[ редактировать ]Аномальные особенности на квантованных ступенях проводимости часто наблюдаются при транспортных измерениях квантовых точечных контактов. Ярким примером является плато в , так называемая 0,7-структура, возникающая за счет усиленных электрон-электронных взаимодействий, возникающих из-за размытой сингулярности Ван Хова в локальной одномерной плотности состояний в окрестности зарядового пережима. [10] В отличие от ступеней проводимости, 0,7-структура становится более выраженной при более высокой температуре. Аналоги 0,7-структуры иногда наблюдаются на более высоких ступенях проводимости. Квазисвязанные состояния, возникающие из-за примесей, зарядовых ловушек и отражений внутри сужения, также могут приводить к структуре проводимости, близкой к 1D-пределу.
Приложения
[ редактировать ]Помимо изучения основ переноса заряда в мезоскопических проводниках, квантовые точечные контакты могут использоваться в качестве чрезвычайно чувствительных детекторов заряда. Поскольку проводимость через контакт сильно зависит от размера перетяжки, любые колебания потенциала (например, создаваемые другими электронами) поблизости будут влиять на ток через КПК. С помощью такой схемы можно обнаружить одиночные электроны. С точки зрения квантовых вычислений в твердотельных системах КПК можно использовать в качестве устройств считывания состояния квантового бита (кубита). [11] [12] [13] [14] В физике устройств конфигурация QPC используется для демонстрации полностью баллистического полевого транзистора. [15] Еще одним применением устройства является его использование в качестве выключателя. Никелевую проволоку подносят достаточно близко к золотой поверхности, а затем с помощью пьезоэлектрического привода можно изменить расстояние между проволокой и поверхностью, и, таким образом, транспортные характеристики устройства изменяются между туннельными электронами и баллистическими. [16]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Х. ван Хаутен и CWJ Бенаккер (1996). «Квантовые точечные контакты». Физика сегодня . 49 (7): 22–27. arXiv : cond-mat/0512609 . Бибкод : 1996ФТ....49г..22В . дои : 10.1063/1.881503 . S2CID 56100437 .
- ^ Би Джей ван Вис; и др. (1988). «Квантованная проводимость точечных контактов в двумерном электронном газе». Письма о физических отзывах . 60 (9): 848–850. Бибкод : 1988PhRvL..60..848V . doi : 10.1103/PhysRevLett.60.848 . hdl : 1887/3316 . ПМИД 10038668 .
- ^ Д.А. Варам; и др. (1988). «Одномерный транспорт и квантование баллистического сопротивления». Дж. Физ. С. 21 (8): Л209–Л214. Бибкод : 1988JPhC...21L.209W . дои : 10.1088/0022-3719/21/8/002 . S2CID 45112904 .
- ^ CCDean и М. Пеппер (1982). «Переход от двумерного электронного транспорта к одномерному в узких слоях накопления кремния». Дж. Физ. С. 15 (36): Л1287–Л1297. Бибкод : 1982JPhC...15.1287D . дои : 10.1088/0022-3719/15/36/005 .
- ^ Ти Джей Торнтон; и др. (1986). «Одномерная проводимость в двумерном электронном газе гетероперехода GaAs-AlGaAs». Письма о физических отзывах . 56 (11): 1198–1201. Бибкод : 1986PhRvL..56.1198T . doi : 10.1103/PhysRevLett.56.1198 . ПМИД 10032595 .
- ^ КФ. Берггрен; и др. (1986). «Магнитное опустошение 1D-подзон в узком 2D-электронном газе в гетеропереходе GaAs:AlGaAs». Письма о физических отзывах . 57 (14): 1769–1772. Бибкод : 1986PhRvL..57.1769B . doi : 10.1103/PhysRevLett.57.1769 . ПМИД 10033540 .
- ^ Пирсолл, Томас (2020). Квантовая фотоника, 2-е издание . Тексты для аспирантов по физике. Спрингер. дои : 10.1007/978-3-030-47325-9 . ISBN 978-3-030-47324-2 . S2CID 240934073 .
- ^ CWJBeenakker и Х. ван Хаутен (1991). «Квантовый транспорт в полупроводниковых наноструктурах». Физика твердого тела . 44 : 1–228. arXiv : cond-mat/0412664 . Бибкод : 2004cond.mat.12664B . дои : 10.1016/s0081-1947(08)60091-0 . ISBN 9780126077445 . S2CID 119082619 .
- ^ CWJBeenakker и Х. ван Хаутен (1991). «Квантовый транспорт в полупроводниковых наноструктурах». Физика твердого тела . 44 : 1–228. arXiv : cond-mat/0412664 . Бибкод : 2004cond.mat.12664B . дои : 10.1016/s0081-1947(08)60091-0 . ISBN 9780126077445 . S2CID 119082619 .
- ^ Бауэр, Флориан; Хейдер, Ян; Шуберт, Энрико; Боровский, Дэвид; Тауберт, Даниэла; Бруоньоло, Бенедикт; Шу, Дитер; Вегшайдер, Вернер; из Делфта, январь; Людвиг, Стефан (сентябрь 2013 г.). «Микроскопическое происхождение «0,7-аномалии» в квантовых точечных контактах» . Природа . 501 (7465): 73–78. Стартовый код : 2013Природа.501...73Б . дои : 10.1038/nature12421 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 23995681 . S2CID 4409202 .
- ^ Дж. М. Эльзерман; и др. (2003). «Малоэлектронная схема на квантовых точках со встроенным считыванием заряда». Физический обзор B . 67 (16): 161308. arXiv : cond-mat/0212489 . Бибкод : 2003PhRvB..67p1308E . дои : 10.1103/PhysRevB.67.161308 . S2CID 16278460 .
- ^ М. Филд; и др. (1993). «Измерения кулоновской блокады с помощью неинвазивного зонда напряжения». Письма о физических отзывах . 70 (9): 1311–1314. Бибкод : 1993PhRvL..70.1311F . дои : 10.1103/PhysRevLett.70.1311 . ПМИД 10054344 .
- ^ Дж. М. Эльзерман; и др. (2004). «Однократное считывание спина отдельного электрона в квантовой точке». Природа . 430 (6998): 431–435. arXiv : cond-mat/0411232 . Бибкод : 2004Natur.430..431E . дои : 10.1038/nature02693 . ПМИД 15269762 . S2CID 4374126 .
- ^ Дж. Р. Петта; и др. (2005). «Когерентное управление связанными электронными спинами в полупроводниковых квантовых точках». Наука . 309 (5744): 2180–2184. Бибкод : 2005Sci...309.2180P . дои : 10.1126/science.1116955 . ПМИД 16141370 . S2CID 9107033 .
- ^ Э. Гремион; Д. Ньепс; А. Каванна; У. Геннсер и Ю. Джин (2010). «Свидетельства существования полностью баллистического одномерного полевого транзистора: эксперимент и моделирование». Письма по прикладной физике . 97 (23): 233505. Бибкод : 2010ApPhL..97w3505G . дои : 10.1063/1.3521466 .
- ^ Смит, DPE (1995). «Квантовые точечные контактные переключатели» . Наука . 269 (5222): 371–3. Бибкод : 1995Sci...269..371S . дои : 10.1126/science.269.5222.371 . ПМИД 17841257 . S2CID 2239813 . Проверено 30 мая 2020 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- CWJBeenakker и Х. ван Хаутен (1991). «Квантовый транспорт в полупроводниковых наноструктурах». Физика твердого тела . 44 : 1–228. arXiv : cond-mat/0412664 . Бибкод : 2004cond.mat.12664B . дои : 10.1016/s0081-1947(08)60091-0 . ISBN 9780126077445 . S2CID 119082619 .
- К. Дж. Томас; и др. (1996). «Возможная спиновая поляризация в одномерном электронном газе». Письма о физических отзывах . 77 (1): 135–138. arXiv : cond-mat/9606004 . Бибкод : 1996PhRvL..77..135T . дои : 10.1103/PhysRevLett.77.135 . ПМИД 10061790 . S2CID 8903637 .
- Николас Аграит; Альфредо Леви Йеяти; Ян М. ван Рейтенбек (2003). «Квантовые свойства проводников атомного размера». Отчеты по физике . 377 (2–3): 81. arXiv : cond-mat/0208239 . Бибкод : 2003ФР...377...81А . дои : 10.1016/S0370-1573(02)00633-6 . S2CID 119409385 .
- Тимп, Г. (1992). «Глава 3: Когда провод становится электронным волноводом». Полупроводники и полуметаллы Том 35 . Том. 35. стр. 113–190. дои : 10.1016/S0080-8784(08)62393-5 . ISBN 9780127521350 .