Введение
Квантовый точечный контакт (КТК) - это узкое сокращение между двумя широкими электрически проводящими областями, ширина которых сопоставима с длиной волны электроники (нано-микрометр). Важность QPC заключается в том, что они доказывают квантование баллистической проводимости в мезоскопических системах. Проводимость QPC квантируется в единицах , так называемой квантовой проводимости. Контакты квантовых точек были впервые зарегистрированы в 1988 году голландской командой из Технологического университета Делфта и исследовательской компании Philips Research и, независимо друг от друга, британской командой из лаборатории Кавендиша. Они основаны на более ранних работах британской группы, которая показала, как можно использовать разделенные ворота для преобразования двумерного электронного газа в одномерный, сначала в кремнии, а затем в арсениде галлия. Эта квантование напоминает квантование Холловой проводимости, но измеряется в отсутствие магнитного поля. Квантизация нулевой проводимости поля и плавный переход к квантовому эффекту Холла при применении магнитного поля, по сути, являются следствием равномерного распределения тока между целым числом способов распространения в сужении.
Изготовление
Есть несколько способов создания квантового точечного контакта. Это может быть реализовано в разрывном стыке путем разрыва части проводника до тех пор, пока он не сломается. Точка разрыва образует точку контакта. Более контролируемым образом квантовые точечные контакты образуются в двумерном электронном газе (2DEG), например, в гетероструктурах GaAs/AlGaAs. Применяя напряжение к электродам ворот подходящей формы, электронный газ может быть локально истощен, и на плоскости 2DEG может быть создано множество различных типов проводящих областей, среди которых квантовые точки и квантовые точечные контакты. Другим способом создания QPC является расположение кончика сканирующего туннельного микроскопа близко к поверхности проводника.
Свойства
Геометрически, контакт квантовой точки - это сужение в поперечном направлении, которое представляет сопротивление движению электронов. Применение напряжения через точечный контакт вызывает поток тока, величина этого тока дается , где проводимость контакта. Эта формула напоминает закон Ома для макроскопических резисторов. Однако существует фундаментальное различие, обусловленное небольшими размерами системы, что требует квантово-механического анализа. Наиболее часто QPC изучают в двухмерных электронных газах. Таким образом, геометрическое сужение точечного контакта превращает проводимость через отверстие в одномерную систему. Кроме того, требуется квантово-механическое описание системы, которое приводит к квантованию проводимости. В квантовой механике ток через точечный контакт распределяется между 1D подполосами или поперечными режимами в сужении. Важно отметить, что предыдущее обсуждение не учитывает возможные переходы между режимами. Формулу Ландауэра можно обобщить, чтобы выразить эти возможные переходы, где находится матрица перехода, которая включает в себя ненулевые вероятности передачи из режима n в m. При низких температурах и напряжениях нерассеянные и не захваченные электроны, способствующие потоку, имеют определенную энергию / импульс / длину волны, называемую энергией / импульсом / длиной волны Ферми. Подобно волноводу, поперечное ограничение в контактной квантовой точке приводит к "квантизации" поперечного движения - поперечное движение не может изменяться непрерывно, но должно быть одним из серии дискретных режимов. Аналогия волновода применима до тех пор, пока когерентность не теряется в результате рассеивания, например, дефектом или местом захвата. Электронная волна может проходить через сужение только в том случае, если она интерферирует конструктивно, что для данной ширины сужения происходит только для определенного количества режимов. Ток, переносимый таким квантовым состоянием, является произведением скорости на плотность электронов. Эти две величины сами по себе отличаются от одного режима к другому, но их продукт является режимом независимым. Это фундаментальный результат; проводимость не принимает произвольных значений, а квантируется в кратных величинах кванта проводимости, который выражается через заряд электрона и постоянную Планка. Целое число определяется шириной точечного контакта и примерно равняется ширине, деленной на половину длины волны электрона. В зависимости от ширины точечного контакта (или напряжения ворот в случае гетероструктурных устройств GaAs / AlGaAs) проводимость показывает поведение лестницы, поскольку все больше и больше режимов (или каналов) способствуют транспортировке электронов. Высота ступени определяется по следующему: при увеличении температуры экспериментально обнаруживается, что плато приобретают конечный наклон, пока они больше не разрешаются. Это следствие термического размазания распределения Ферми-Дирака. Шаги проводимости должны исчезнуть для (здесь ∆E - это разделение подпалочки на уровне Ферми). Это подтверждается как экспериментами, так и числовыми вычислениями. Внешнее магнитное поле, нанесенное на контактную квантовую точку, поднимает спиновую дегенерацию и приводит к полуцелым шагам в проводимости. Кроме того, число режимов, которые вносят свой вклад, становится меньше. Для больших магнитных полей, независимо от ширины сужения, данной теорией квантового эффекта Холла.
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.
Аномалия 0.7
Аномальные особенности на квантовых ступенях проводимости часто наблюдаются при измерениях транспорта квантовых точечных контактов. Примечательным примером является плато в , так называемая структура 0,7, возникающая из-за усиленного электронно-электронного взаимодействия, возникающего из размазанной сингулярности ван-Хоува в локальной 1D плотности состояний в окрестностях сужения заряда. В отличие от ступеней проводимости, структура 0,7 становится более выраженной при более высокой температуре. Аналоги структуры 0,7 иногда наблюдаются на ступенях с более высокой проводимостью. Квазисвязанные состояния, возникающие из-за примесей, ловушек заряда и отражений внутри сужения, также могут привести к структуре проводимости, близкой к пределу 1D.
Приложения
Помимо изучения основ транспорта заряда в мезоскопических проводниках, квантовые точечные контакты могут использоваться в качестве чрезвычайно чувствительных детекторов заряда. Поскольку проводимость через контакт сильно зависит от размера сужения, любое потенциальное колебание (например, создаваемое другими электронами) в окрестностях будет влиять на ток через QPC. С помощью такой схемы можно обнаружить отдельные электроны. С учетом квантовых вычислений в твердотельных системах, QPC могут использоваться в качестве устройств для считывания состояния квантового бита (кубита). В физике устройств конфигурация QPC используется для демонстрации транзистора с полностью баллистическим эффектом поля. Еще одно применение устройства - его использование в качестве переключателя. Никелевый провод приближается достаточно близко к поверхности золота, а затем, с помощью пьезоэлектрического привода, расстояние между проводом и поверхностью может быть изменено, и, таким образом, транспортные характеристики устройства изменяются между туннелированием электронов и баллистическим.