Кіріспе
Кванттық нүктелік байланыс (ККК) - екі кең электр өткізгіш аймақ арасындағы электронды толқын ұзындығына (нанодан микрометрге дейін) тең ендегі тар ықшамдалу. QPC маңыздылығы мезоскопиялық жүйелерде баллистикалық өткізгіштікті кванттауды дәлелдеуде. QPC өткізгіштігі , өткізгіштік кванты деп аталатын бірліктермен квантталады. Кванттық нүктелік байланыстар туралы алғаш рет 1988 жылы Делфт технология университеті мен Philips Research-тің голландтық тобы және тәуелсіз түрде Кавендиш зертханасының британдық тобы хабарлады. Олар британдық топтың бұрынғы жұмысына негізделген, онда екі өлшемді электронды газды бір өлшемге, алдымен кремнийге, содан кейін галлий арсенидіне түрлендіру үшін бөлінген қақпаларды қалай қолдануға болатыны көрсетілді. Бұл кванттау Холл өткізгіштігінің кванттауын еске салады, бірақ магнит өрісі болмаған жағдайда өлшенеді. Нөлдік өтімділік квантталуы және магнит өрісін қолдану кезінде кванттық Холл эффектіне тегіс өту, негізінен, ықшамдауда таралу режимдерінің бүтін саны арасындағы токтың тең бөлінуінің салдары болып табылады.
Өндiру
Кванттық нүктелік байланыс жасаудың бірнеше түрлі жолдары бар. Оны үзіліс тораптарында өткізгіштің бір бөлігін үзілгенше ажырату арқылы жүзеге асыруға болады. Сынған нүкте байланыс нүктесін құрайды. Кванттық нүктелік байланыс екі өлшемді электронды газда (2DEG) қалыптасады, мысалы, GaAs/AlGaAs гетероқұрылыстарында. Тиісті пішінді шлюздік электродтарға кернеуді қолдану арқылы электронды газды жергілікті түрде кетіруге болады және 2DEG жазықтығында көптеген түрлі өткізгіш аймақтар, олардың ішінде кванттық нүктелер мен кванттық нүктелік байланыстар құрылуы мүмкін. ҚПК жасаудың тағы бір жолы - сканерлік туннельдік микроскоптың ұшын өткізгіштің бетінің жанына жақын орналастыру.
Қасиеттері
Геометриялық тұрғыдан алғанда, кванттық нүктелік байланыс - электронның қозғалысына қарсылық көрсететін көлденең бағыттағы ығысу. Нүктелік контактіге кернеуді қолдану ток ағынын тудырады, бұл токтың шамасы беріледі , мұндағы контактілік өткізгіштік. Бұл формула макроскопиялық резисторлар үшін Омның заңына ұқсас. Алайда, бұл жерде кванттық механикалық талдауды қажет ететін жүйелердің кішігірім мөлшерінен туындайтын негізгі айырмашылық бар. QPC-ді екі өлшемді электронды газдарда зерттеу ең көп таралған. Осылайша нүктелік контактілердің геометриялық ықшамдалуы өткізгіштікті бір өлшемді жүйеге айналдырады. Сонымен қатар, бұл жүйеге кванттық механикалық сипаттама қажет, ол өткізгіштікті кванттауды талап етеді. Кванттық механикада нүктелік байланыс арқылы өтетін ток 1D суббумалар немесе көлденең режимдер арасында тең бөлінеді. Жоғарыда айтылғандардың ішінде көлік түрлері арасындағы ықтимал ауысулар ескерілмегенін атап өту керек. Ландауер формуласын бұл мүмкін ауысуларды білдіру үшін жалпылауға болады, онда n режимнен m режимге өтудің нөлдік емес ықтималдығын қамтитын ауысу матрицасы. Төмен температура мен кернеуде токқа үлес қосатын шашыраңқы және тұтқынға түспеген электрондар белгілі бір энергия / импульс / толқын ұзындығына ие, оны Ферми энергиясы / импульсі / толқын ұзындығы деп атайды. Толқын жетекіндегідей, кванттық түйісу нүктесіндегі көлденең тұйықталу көлденең қозғалыстың "кванттықлануына" әкеледі - көлденең қозғалыс үнемі өзгеріп отыра алмайды, бірақ дискретті режимдер сериясының бірі болуы керек. Толқын жетектері аналогиясы, егер когеренттілік шашырау арқылы, мысалы, ақау немесе тұтқын орнында жоғалмаса, қолданылады. Электрондық толқын тек қана ығысу арқылы өтуі мүмкін, егер ол конструктивті түрде кедергі келтірсе, бұл ығысудың берілген ені үшін белгілі бір режимдер үшін ғана болады. Мұндай кванттық күйдің ағыны жылдамдық еселенген электрондық тығыздықтың көбейтіндісі болып табылады. Бұл екі шаманың өзі бір реттен екіншісіне өзгеше, бірақ олардың көбейтіндісі реттен тәуелсіз. Нәтижесінде, әрбір күй жалпы өткізгіштікке спин бағыты бойынша бірдей мөлшерде үлес қосады. Бұл негізгі нәтиже; өткізгіштік кездейсоқ мәндерді қабылдамайды, бірақ өткізгіштік квантының көбейтіндісінде квантталады, ол электрон заряды мен Планк тұрақтысы арқылы көрсетіледі. Нүктелік байланыс енінің функциясы ретінде (немесе GaAs / AlGaAs гетероструктуралы құрылғылар жағдайындағы шлюз кернеуі), өткізгіштік сатылық мінез-құлықты көрсетеді, өйткені электронды тасымалдауға көбірек режимдер (немесе арналар) ықпал етеді. Степенің биіктігі температураны көбейту арқылы беріледі, тәжірибе жүзінде платолар шекті еңіспен аяқталады. Бұл Ферми Дирак үлестіріміне термиялық ластанудың салдары. Өткiзушiлiк сатылары (осы жерде ∆E Ферми деңгейіндегі суббайланысты бөлу) жоғалуы керек. Бұл эксперименттер мен сандық есептеулер арқылы расталады. Кванттық нүктеге қолданылатын сыртқы магнит өрісі спиндік дегенерацияны көтереді және өткізгіштікте жарты бүтін қадамдарға әкеледі. Сонымен қатар, қатысатын режимдер саны азаяды. Үлкен магнит өрістері үшін кванттық Холл эффекті теориясы берген ығысу енінен тәуелсіз.
At low temperatures and voltages, unscattered and untrapped electrons contributing to the current have a certain energy/momentum/wavelength called Fermi energy/momentum/wavelength. Much like in a waveguide, the transverse confinement in the quantum point contact results in a "quantization" of the transverse motion—the transverse motion cannot vary continuously, but has to be one of a series of discrete modes. The waveguide analogy is applicable as long as coherence is not lost through scattering, e. g., by a defect or trapping site. The electron wave can only pass through the constriction if it interferes constructively, which for a given width of constriction, only happens for a certain number of modes The current carried by such a quantum state is the product of the velocity times the electron density. These two quantities by themselves differ from one mode to the other, but their product is mode independent. As a consequence, each state contributes the same amount of per spin direction to the total conductance
This is a fundamental result; the conductance does not take on arbitrary values but is quantized in multiples of the conductance quantum , which is expressed through the electron charge and the Planck constant The integer number is determined by the width of the point contact and roughly equals the width divided by half the electron wavelength. As a function of the width of the point contact (or gate voltage in the case of GaAs/AlGaAs heterostructure devices), the conductance shows a staircase behavior as more and more modes (or channels) contribute to the electron transport. The step height is given by
On increasing the temperature, one finds experimentally that the plateaux acquire a finite slope until they are no longer resolved. This is a consequence of the thermal smearing of the Fermi Dirac distribution. The conductance steps should disappear for (here ∆E is the subband splitting at the Fermi level). This is confirmed both by experiment and by numerical calculations. An external magnetic field applied to the quantum point contact lifts the spin degeneracy and leads to half integer steps in the conductance. In addition, the number of modes that contribute becomes smaller. For large magnetic fields, is independent of the width of the constriction, given by the theory of the quantum Hall effect.
0,7 аномалиясы
Кванттық нүктелік байланыстардың тасымалдануын өлшеу кезінде кванттық өткізгіштік сатыларындағы аномальды белгілер жиі байқалады. Бір көрнекті мысал - 0,7 құрылымдағы плато, ол зарядты ықшамдалудың маңындағы 1D-дағы жергілікті тығыздықтағы ластанған ван Хоув сингулярлығынан пайда болған электрон-электрон өзара әрекеттесуінің арқасында пайда болады. Сымдылық сатыларынан айырмашылығы, 0,7 құрылымы жоғары температурада айқын көрінеді. 0,7 құрылым аналогтары кейде жоғары өткізгіштік сатыларында байқалады. Кіршіктерден, заряд тұзақтарынан және ықшамдалу ішіндегі шағылысулардан туындайтын квазибайланысты күйлер 1D шегіне жақын өткізгіштік құрылымына әкелуі мүмкін.
Қолданбалар
Мезоскопиялық өткізгіштердегі зарядтардың тасымалдануын зерттеуден басқа, кванттық нүктелік контактілерді өте сезімтал заряд детекторлары ретінде пайдалануға болады. Контакт арқылы өткізгіштік ығысудың мөлшеріне қатты байланысты болғандықтан, жақын маңдағы кез келген ықтимал ауытқулар (мысалы, басқа электрондармен жасалған) QPC арқылы токқа әсер етеді. Мұндай схема арқылы жеке электронды анықтау мүмкін. Қатты күйдегі жүйелердегі кванттық есептеулерді ескере отырып, QPC-лерді кванттық биттің (кубит) күйін оқу құрылғылары ретінде пайдалануға болады. Құрылғы физикасында QPC конфигурациясы толық баллистикалық өріс әсері транзисторын көрсету үшін қолданылады. Құрылғыны қолданудың тағы бір түрі - оны коммутатор ретінде пайдалану. Никельді сым алтын бетіне жеткілікті жақын орналасады, содан кейін пьезоэлектрлік актуаторды қолдану арқылы сым мен беттің арасындағы қашықтықты өзгертуге болады, осылайша құрылғының тасымалдау сипаттамалары электронды туннельдеу мен баллистикалық арасында өзгереді.