Введение

В мезоскопической физике кулоновская блокада (КБ), названная в честь электрической силы, открытой Шарлем Огюстеном де Кулоном, – это снижение электрической проводимости при малых приложенных напряжениях в небольшом электронном устройстве, содержащем как минимум один тоннельный переход с низкой ёмкостью. Из-за кулоновской блокады проводимость устройства может быть непостоянной при низких приложенных напряжениях и полностью исчезать при напряжениях ниже определённого порогового значения, то есть ток не протекает. Кулоновскую блокаду можно наблюдать, уменьшая размеры устройства до очень малых, например, до размера квантовой точки. Когда устройство достаточно мало, электроны внутри него создают сильное кулоновское отталкивание, препятствующее прохождению других электронов. Таким образом, устройство перестаёт подчиняться закону Ома, а вольт-амперная характеристика кулоновской блокады имеет ступенчатый вид. Хотя кулоновская блокада может быть использована для демонстрации квантования электрического заряда, она остаётся классическим эффектом, и её основное описание не требует применения квантовой механики. Однако, когда речь идёт о небольшом количестве электронов и при приложении внешнего статического магнитного поля, кулоновская блокада становится основой для спиновой блокады (например, спиновой блокады Паули) и долинной блокады, которые включают квантово-механические эффекты, обусловленные спиновыми и орбитальными взаимодействиями между электронами соответственно. Устройства могут содержать металлические или сверхпроводящие электроды. Если электроды сверхпроводящие, то переносчиками тока являются пары Купера (с зарядом минус два элементарных заряда). В случае, когда электроды металлические или нормально проводящие, то есть не являются ни сверхпроводящими, ни полупроводящими, переносчиками тока являются электроны (с зарядом в 1).

В туннельном переходе

Следующий раздел посвящен туннельным переходам с изолирующим барьером между двумя нормальными проводящими электродами (переходы NIN). В простейшем виде туннельный переход представляет собой тонкий изолирующий барьер между двумя проводящими электродами. Согласно законам классической электродинамики, ток не может протекать через изолирующий барьер. Однако, согласно законам квантовой механики, существует ненулевая (больше нуля) вероятность для электрона с одной стороны барьера достичь другой стороны (см. квантовое туннелирование). При приложении смещающего напряжения это означает, что будет протекать ток, и, пренебрегая дополнительными эффектами, туннельный ток будет пропорционален смещающему напряжению. С электрической точки зрения, туннельный переход ведет себя как резистор с постоянным сопротивлением, также известный как омический резистор. Сопротивление экспоненциально зависит от толщины барьера. Обычно толщина барьера составляет от одного до нескольких нанометров. Конструкция из двух проводников с изолирующим слоем между ними обладает не только сопротивлением, но и конечной емкостью. В этом контексте изолятор также называют диэлектриком, и туннельный переход ведет себя как конденсатор. Из-за дискретности электрического заряда, ток через туннельный переход представляет собой серию событий, в каждом из которых точно один электрон проходит (туннелирует) через туннельный барьер (мы не учитываем ко-туннелирование, при котором два электрона туннелируют одновременно). Конденсатор туннельного перехода заряжается одним элементарным зарядом туннелирующим электроном, вызывая накопление напряжения, где – емкость перехода. Если емкость очень мала, накопление напряжения может быть достаточно большим, чтобы предотвратить туннелирование другого электрона. Электрический ток тогда подавляется при низких смещающих напряжениях, и сопротивление устройства перестает быть постоянным. Увеличение дифференциального сопротивления вблизи нулевого смещения называется кулоновской блокадой.

Наблюдение

Для того, чтобы кулоновская блокада была наблюдаемой, температура должна быть достаточно низкой, чтобы характеристическая энергия заряда (энергия, необходимая для заряда перехода одним элементарным зарядом) была больше тепловой энергии носителей заряда. Ранее, для ёмкостей больше 1 фемтофарады (10−15 фард), это означало, что температура должна быть ниже примерно 1 кельвина. Этот температурный диапазон обычно достигается, например, с помощью холодильников, использующих гелий-3. Благодаря квантовым точкам малого размера, всего в несколько нанометров, кулоновская блокада наблюдалась уже при температурах, незначительно превышающих температуру жидкого гелия, вплоть до комнатной температуры. Для создания туннельного перехода в геометрии плоского конденсатора с ёмкостью 1 фемтофарады, используя оксидный слой с диэлектрической проницаемостью 10 и толщиной в один нанометр, необходимо создать электроды размерами примерно 100 на 100 нанометров. Этот диапазон размеров обычно достигается, например, с помощью электронно-лучевой литографии и соответствующих технологий переноса рисунка, таких как техника Нимейера-Долана, также известная как метод вакуумного напыления. Интеграция изготовления квантовых точек со стандартными промышленными технологиями была достигнута для кремния. Реализован CMOS-процесс для массового производства одноэлектронных квантовых точечных транзисторов с размером канала до 20 нм x 20 нм.

Кулонский термометр блокадной температуры

Типичный кулоновский термометр блокады (CBT) изготавливается из массива металлических островов, соединенных друг с другом через тонкий изолирующий слой. Между островами формируется туннельный переход, и при приложении напряжения электроны могут туннелировать через этот переход. Скорость туннелирования и, следовательно, проводимость изменяются в зависимости от энергии зарядки островов, а также от тепловой энергии системы. Кулоновский термометр блокады является первичным термометром, основанным на электрических характеристиках проводимости массивов туннельных переходов. Параметр, равный полной ширине на полуминимуме из измеренного дифференциального пропускного спада для массива из N переходов, вместе с физическими константами, определяет абсолютную температуру.

Блокада ионного кулона

Ионная кулонова блокада (ICB) является частным случаем кулоновской блокады (CB), возникающим при электродиффузионном переносе заряженных ионов через субнанометровые искусственные нанопоры. ICB во многом аналогична своему электронному аналогу в квантовых точках [1], но обладает некоторыми специфическими особенностями, обусловленными, возможно, различной валентностью z носителей заряда (проникающих ионов по сравнению с электронами) и различной природой механизма переноса (классическая электродиффузия по сравнению с квантовым туннелированием). В случае ICB кулоновский зазор определяется диэлектрической самоэнергией входящего иона внутри поры/канала и, следовательно, зависит от валентности иона z. ICB проявляется сильно даже при комнатной температуре для ионов с высокой валентностью, например, для ионов Ca^2+. В последнее время ICB была экспериментально обнаружена в субнанометровых порах MoS2. В биологических ионных каналах ICB обычно проявляется в явлениях валентной селективности, таких как полосы проводимости (в отличие от фиксированного заряда) и концентрационно-зависимая двувалентная блокада натриевого тока.