Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Мезоскопиялық физикада Кулон блокадасы (КБ) – Шарль Августин де Кулонның электр күшімен аталған, кем дегенде бір төмен сыйымдылықты туннельдік тораптан тұратын кішкентай электрондық құрылғының кішкентай кернеудегі электр өткізгіштігінің төмендеуі. Кулон блокадасының салдарынан құрылғының өткізгіштігі кішкентай кернеулерде тұрақты болмай, белгілі бір шектен төмен кернеуде толығымен жойылуы мүмкін, яғни ток ағыны болмайды. Кулон блокадасын кванттық нүкте сияқты өте кішкентай құрылғы жасау арқылы байқауға болады. Құрылғы жеткілікті кішкентай болғанда, құрылғы ішіндегі электрондар басқа электрондардың ағылуына кедергі келтіретін күшті Кулондық итергіш күшін тудырады. Осылайша, құрылғы Ом заңына бағынбайды және Кулон блокадасының ток-кернеу байланысы баспалдақ сияқты болады. Кулон блокадасы электр зарядының квантталуын көрсетуге мүмкіндік берсе де, ол классикалық эффект болып қалады және оның негізгі сипаттамасы кванттық механиканы қажет етпейді. Дегенмен, азаған электрондар саны қатысқанда және сыртқы тұрақты магнит өрісі қолданылғанда, Кулон блокадасы спин блокадасы (мысалы, Паули спин блокадасы) және долин блокадасы үшін негіз болады, олар электрондар арасындағы спиндік және орбиталық өзара әрекеттесулерге байланысты кванттық механикалық эффектілерді қамтиды. Құрылғылар металл немесе суперөткізгіш электродтардан құралуы мүмкін. Егер электродтар суперөткізгіш болса, Купер жұптары (минус екі элементар зарядты) токты тасымалдайды. Ал электродтар металл немесе қалыпты өткізгіш болса, яғни суперөткізгіш немесе жартылай өткізгіш емес болса, электрондар (бір элементар зарядты) токты тасымалдайды.
In mesoscopic physics, a Coulomb blockade (CB), named after Charles Augustin de Coulomb's electrical force, is the decrease in electrical conductance at small bias voltages of a small electronic device comprising at least one low capacitance tunnel junction. Because of the CB, the conductance of a device may not be constant at low bias voltages, but disappear for biases under a certain threshold, i. e. no current flows. Coulomb blockade can be observed by making a device very small, like a quantum dot. When the device is small enough, electrons inside the device will create a strong Coulomb repulsion preventing other electrons to flow. Thus, the device will no longer follow Ohm's law and the current voltage relation of the Coulomb blockade looks like a staircase. Even though the Coulomb blockade can be used to demonstrate the quantization of the electric charge, it remains a classical effect and its main description does not require quantum mechanics. However, when few electrons are involved and an external static magnetic field is applied, Coulomb blockade provides the ground for a spin blockade (like Pauli spin blockade) and valley blockade, which include quantum mechanical effects due to spin and orbital interactions respectively between the electrons. The devices can comprise either metallic or superconducting electrodes. If the electrodes are superconducting, Cooper pairs (with a charge of minus two elementary charges ) carry the current. In the case that the electrodes are metallic or normal conducting, i. e. neither superconducting nor semiconducting, electrons (with a charge of ) carry the current.
Туннель торабында
Келесі бөлімде екі қалыпты өткізгіш электродтың арасында оқшаулағыш кедергісі бар туннельдік қосылыстар (NIN қосылыстары) қарастырылады. Туннельдік қосылыс ең қарапайым түрінде екі өткізгіш электродтың арасындағы жұқа оқшаулағыш кедергі болып табылады. Классикалық электродинамика заңдарына сәйкес, ешқандай ток оқшаулағыш кедергі арқылы өте алмайды. Дегенмен, кванттық механика заңдарына сәйкес, кедергінің бір жағындағы электронның екінші жағына жетуі үшін нөлден жоғары ықтималдық бар (кванттық туннельдеуді қараңыз). Кернеу қолданылғанда, бұл ток пайда болады дегенді білдіреді және қосымша әсерлерді ескермесек, туннельдеу тогы қолданылған кернеуге пропорционалды болады. Электрлік тұрғыдан алғанда, туннельдік қосылыс тұрақты кедергісі бар резистор ретінде әрекет етеді, бұл Омдық резистор деп те аталады. Кедергі кедергі қалыңдығына экспоненциалды түрде тәуелді. Әдетте, кедергі қалыңдығы бірден бірнеше нанометрге дейін болады. Екі өткізгіштің арасында оқшаулағыш қабат орналасқан кезде, ол тек кедергіге ғана емес, сонымен қатар шекті сыйымдылыққа да ие болады. Оқшаулағыш осы контексте диэлектрик деп те аталады, туннельдік қосылыс конденсатор ретінде әрекет етеді. Электр зарядының дискреттілігіне байланысты, туннельдік қосылыс арқылы ток – дәл бір электронның туннельдік кедергі арқылы өтуінің тізбегі (біз котуннельдеуді ескермейміз, онда екі электрон бір уақытта туннельдейді). Туннельдік қосылыс конденсаторы туннельдеу электронмен бір элементарлық зарядпен зарядталады, бұл кернеудің өсуіне әкеледі, мұндағы – қосылыстың сыйымдылығы. Егер сыйымдылық өте кішкентай болса, кернеудің өсуі басқа электронның туннельдеуіне бөгет жасайтын деңгейге жете алады. Электр тогы төмен кернеулерде басылады және құрылғының кедергісі енді тұрақты болмайды. Нөлдік кернеу маңындағы дифференциалдық кедергінің өсуі Кулон блокадасы деп аталады.
The following section is for the case of tunnel junctions with an insulating barrier between two normal conducting electrodes (NIN junctions). The tunnel junction is, in its simplest form, a thin insulating barrier between two conducting electrodes. According to the laws of classical electrodynamics, no current can flow through an insulating barrier. According to the laws of quantum mechanics, however, there is a nonvanishing (larger than zero) probability for an electron on one side of the barrier to reach the other side (see quantum tunnelling). When a bias voltage is applied, this means that there will be a current, and, neglecting additional effects, the tunnelling current will be proportional to the bias voltage. In electrical terms, the tunnel junction behaves as a resistor with a constant resistance, also known as an ohmic resistor. The resistance depends exponentially on the barrier thickness. Typically, the barrier thickness is on the order of one to several nanometers. An arrangement of two conductors with an insulating layer in between not only has a resistance, but also a finite capacitance. The insulator is also called dielectric in this context, the tunnel junction behaves as a capacitor. Due to the discreteness of electrical charge, current through a tunnel junction is a series of events in which exactly one electron passes (tunnels) through the tunnel barrier (we neglect cotunneling, in which two electrons tunnel simultaneously). The tunnel junction capacitor is charged with one elementary charge by the tunnelling electron, causing a voltage build up , where is the capacitance of the junction. If the capacitance is very small, the voltage build up can be large enough to prevent another electron from tunnelling. The electric current is then suppressed at low bias voltages and the resistance of the device is no longer constant. The increase of the differential resistance around zero bias is called the Coulomb blockade.
Байқау
Кулон блокадасын байқау үшін температураның жеткілікті түрде төмен болуы керек, сондықтан сипаттамалық зарядтау энергиясы (бір элементар зарядпен қосылысты зарядтау үшін қажетті энергия) заряд тасымалдаушылардың жылу энергиясынан артық болуы тиіс. Бұрын, 1 фемтофардтан (10−15 фард) жоғары сыйымдылықтар үшін температура шамамен 1 кельвиннен төмен болуы керек еді. Бұл температуралық диапазонды, мысалы, гелий-3 тоңазытқыштарымен жүйелі түрде қол жеткізуге болады. Бірнеше нанометр ғана көлемді кішкентай кванттық нүктелердің арқасында, Кулон блокадасы сұйық гелий температурасынан жоғары, тіпті бөлме температурасына дейін байқалды. 1 фемтофард сыйымдылығы бар, 10 диэлектрлік тұрақтылығы және 1 нанометр қалыңдығы бар оксид қабатын пайдаланып, пластиналық конденсатор геометриясында туннельдік қосылыс жасау үшін шамамен 100х100 нанометр өлшемді электродтар жасау қажет. Бұл өлшемдер диапазонына, мысалы, электронды сәулелі литография және Niemeyer-Dolan техникасы сияқты тиісті үлгілерді беру технологиялары, сондай-ақ көлеңкелі булану техникасы да жатады. Кванттық нүктелерді жасауды стандартты өнеркәсіптік технологиямен кремний үшін біріктіруге қол жеткізілді. 20 нм х 20 нм канал өлшеміне дейінгі бір электронды кванттық нүктелі транзисторларды жаппай өндіру үшін CMOS процесі енгізілді.
In order for the Coulomb blockade to be observable, the temperature has to be low enough so that the characteristic charging energy (the energy that is required to charge the junction with one elementary charge) is larger than the thermal energy of the charge carriers. In the past, for capacitances above 1 femtofarad (10−15 farad), this implied that the temperature has to be below about 1 kelvin. This temperature range is routinely reached for example by Helium 3 refrigerators. Thanks to small sized quantum dots of only few nanometers, Coulomb blockade has been observed next above liquid helium temperature, up to room temperature. To make a tunnel junction in plate condenser geometry with a capacitance of 1 femtofarad, using an oxide layer of electric permittivity 10 and thickness one nanometer, one has to create electrodes with dimensions of approximately 100 by 100 nanometers. This range of dimensions is routinely reached for example by electron beam lithography and appropriate pattern transfer technologies, like the Niemeyer–Dolan technique, also known as shadow evaporation technique. The integration of quantum dot fabrication with standard industrial technology has been achieved for silicon. CMOS process for obtaining massive production of single electron quantum dot transistors with channel size down to 20 nm x 20 nm has been implemented.
Кулон блокадалық термометр
Типтік Куломб блокадалы термометрі (CBT) жұқа оқшаулағыш қабат арқылы бір-бірімен байланысқан металл аралдар массивінен жасалады. Аралдар арасында туннельдік байланыс пайда болады, және кернеу қолданылғанда электрондар осы байланыс арқылы туннельдеуі мүмкін. Туннельдеу жылдамдығы, демек өткізгіштік, аралдардың зарядтау энергиясына және жүйенің жылу энергиясына байланысты өзгереді. Куломб блокадалы термометрі – туннельдік байланыстар массивінің электр өткізгіштігінің ерекшеліктеріне негізделген біріншілік термометр. N байланыс массиві бойынша өлшенген дифференциалдық өткізгіштіктің жартылай минимумның толық ені физикалық тұрақтылармен бірге абсолютті температураны анықтайды.
A typical Coulomb blockade thermometer (CBT) is made from an array of metallic islands, connected to each other through a thin insulating layer. A tunnel junction forms between the islands, and as voltage is applied, electrons may tunnel across this junction. The tunneling rates and hence the conductance vary according to the charging energy of the islands as well as the thermal energy of the system. Coulomb blockade thermometer is a primary thermometer based on electric conductance characteristics of tunnel junction arrays. The parameter , the full width at half
minimum of the measured differential conductance dip over an array of N junctions together with the physical constants provide the absolute temperature.
Ионикалық Куломб блокадасы
Иондық Куломб блокадасы (ICB) – Куломб блокадасының ерекше жағдайы, ол зарядталған иондардың субнанометрлік жасанды наносаңылаулар арқылы электродиффузиялық тасымалдануында пайда болады. ICB кванттық нүктелердегі электрондық аналогына өте ұқсас, [1] бірақ заряд тасымалдаушылардың мүмкін түрлі валенттілігі (иондар мен электрондардың арасындағы айырма) және тасымалдау механизмінің әртүрлі болуымен (классикалық электродиффузия және кванттық туннельдеу) сипатталатын ерекшеліктерге ие. ICB жағдайында Кулондық аралық саңылауы саңылау/канал ішіндегі кіріп келетін ионның диэлектрлік өзіндік энергиясымен анықталады, демек, ионның валенттілігіне байланысты өзгереді. ICB, мысалы, Ca^2+ иондары үшін бөлме температурасында да күшті болып көрінеді. ICB жақында субнанометрлік MoS2 саңылауларында эксперименттік түрде байқалды. Биологиялық иондық каналдарда ICB әдетте валенттік таңдаулылық құбылыстары ретінде, өткізгіштік жолақтары (тұрақты зарядқа қарсы) және натрий тогының концентрацияға тәуелді еківалентті блокадасы түрінде көрінеді.
Ionic Coulomb blockade (ICB) is the special case of CB, appearing in the electro diffusive transport of charged ions through sub nanometer artificial nanopores ICB is widely similar to its electronic counterpart in quantum dots,[1] but presents some specific features defined by possibly different valence z of charge carriers (permeating ions vs electrons) and by the different origin of transport engine (classical electrodiffusion vs quantum tunnelling). In the case of ICB, Coulomb gap is defined by dielectric self energy of incoming ion inside the pore/channel and hence depends on ion valence z. ICB appears strong , even at the room temperature, for ions with , e. g. for Ca^2+ ions. ICB has been recently experimentally observed in sub nanometer MoS2 pores. In biological ion channels ICB typically manifests itself in such valence selectivity phenomena as conduction bands (vs fixed charge ) and concentration dependent divalent blockade of sodium current.