Кулоновская блокада¶

Кулоновская блокада — это квантово-электронное явление, заключающееся в подавлении туннелирования электронов через малоразмерный проводник (например, квантовую точку или наноостровок) при низких температурах, обусловленное электростатическим отталкиванием. Эффект возникает, когда энергия, необходимая для добавления одного электрона на изолированный участок, превышает тепловую энергию, что приводит к дискретности тока и появлению так называемой «кулоновской лестницы» на вольт-амперной характеристике. Кулоновская блокада является ключевым принципом работы одноэлектронных транзисторов и других устройств наноэлектроники.

¶История открытия

Явление кулоновской блокады было теоретически предсказано в 1950-х годах, но экспериментально наблюдалось лишь в 1980-х годах с развитием технологий создания наноструктур. В 1987 году группа учёных под руководством Д. В. Аверина (Россия) и К. К. Лихарева (СССР) впервые продемонстрировала эффект в системе с металлическими наночастицами. В 1990-х годах, с появлением методов электронной литографии, кулоновская блокада стала активно изучаться в квантовых точках, созданных на основе полупроводниковых гетероструктур. За вклад в развитие физики одноэлектронных явлений в 1998 году была присуждена Нобелевская премия по физике Роберту Лафлину, Хорсту Штёрмеру и Дэниелу Цуи за открытие дробного квантового эффекта Холла, который тесно связан с кулоновскими взаимодействиями.

¶Физический механизм

¶Принцип действия

Кулоновская блокада основана на том, что для переноса одного электрона на изолированный проводник (например, наноостровок) необходимо преодолеть кулоновское отталкивание от уже имеющихся на нём электронов. Энергия зарядки \( E_c \) определяется формулой:

\[ E_c = \frac{e^2}{2C} \]

где \( e \) — заряд электрона, \( C \) — ёмкость наноостровка. Чем меньше ёмкость, тем больше энергия зарядки. При низких температурах (\( k_B T \ll E_c \)) тепловые флуктуации не могут преодолеть этот барьер, и ток через систему блокируется до тех пор, пока напряжение на затворе не компенсирует заряд.

¶Условия наблюдения

Для наблюдения кулоновской блокады необходимо выполнение двух основных условий:

• Температурное условие: \( k_B T < E_c \), где \( k_B \) — постоянная Больцмана. При комнатной температуре это требует ёмкости порядка \( 10^{-18} \) Ф, что достижимо только для нанообъектов размером менее 10 нм.
• Туннельное условие: сопротивление туннельных контактов должно превышать квантовое сопротивление \( R_Q = h/e^2 \approx 25,8 \) кОм, чтобы электроны локализовались на островке.

¶Виды и проявления

¶Кулоновская лестница

При плавном изменении напряжения на затворе вольт-амперная характеристика одноэлектронного транзистора приобретает ступенчатый вид — так называемую «кулоновскую лестницу». Каждая ступенька соответствует добавлению одного электрона на островок. Ширина ступеньки определяется энергией зарядки.

¶Кулоновские осцилляции

При фиксированном напряжении между истоком и стоком и изменении напряжения на затворе проводимость системы осциллирует — это кулоновские осцилляции. Пики проводимости соответствуют резонансным условиям, когда энергия Ферми электронов в контактах совпадает с уровнем энергии на островке.

¶Применение

¶Одноэлектронные транзисторы

Кулоновская блокада лежит в основе работы одноэлектронных транзисторов (ОЭТ) — устройств, управляющих током с точностью до одного электрона. ОЭТ состоит из наноостровка, соединённого с истоком и стоком через туннельные барьеры, и затвора, управляющего потенциалом островка. Такие транзисторы рассматриваются как перспективная элементная база для сверхплотной интеграции и квантовых вычислений.

¶Квантовые точки

В квантовых точках кулоновская блокада проявляется в виде дискретных уровней энергии, что позволяет использовать их для создания однофотонных источников, детекторов одиночных фотонов и элементов квантовой памяти.

¶Метрология

Явление используется в эталонах электрического тока — на основе кулоновской блокады создаются источники тока с точностью до \( 10^{-8} \), что необходимо для переопределения единицы силы тока (ампера) в Международной системе единиц (СИ).

¶Критика и ограничения

Основным ограничением кулоновской блокады является её сильная температурная зависимость. При комнатной температуре эффект наблюдается только в нанообъектах размером менее 2–3 нм, что создаёт технологические трудности при изготовлении устройств. Кроме того, в реальных системах на результат влияют флуктуации заряда в подложке, дефекты и паразитные ёмкости. В 2010-х годах были предложены методы подавления этих эффектов с помощью двойных квантовых точек и трёхмерных наноструктур.

¶Интересные факты

• В 2012 году группа исследователей из Национального института стандартов и технологий (NIST) США продемонстрировала кулоновскую блокаду при комнатной температуре в углеродных нанотрубках диаметром около 1 нм.
• Эффект кулоновской блокады является аналогом эффекта Шоттки в полупроводниковых диодах, но проявляется в наноразмерных системах.
• В 2020 году российские учёные из Института физики микроструктур РАН предложили использовать кулоновскую блокаду для создания сверхчувствительных датчиков электрического поля.

¶См. также

• Одноэлектронный транзистор
• Квантовая точка
• Туннельный эффект
• Кулоновское взаимодействие
• Наноэлектроника

¶Источники

• Аверин Д. В., Лихарев К. К. «Одноэлектронные явления в туннельных структурах» // Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1987.
• Grabert H., Devoret M. H. «Single Charge Tunneling: Coulomb Blockade Phenomena in Nanostructures» // NATO ASI Series, 1992.
• Kastner M. A. «The single-electron transistor» // Reviews of Modern Physics, 1992, Vol. 64, No. 3.
• Likharev K. K. «Single-electron devices and their applications» // Proceedings of the IEEE, 1999, Vol. 87, No. 4.
• NIST Technical Note 2012: «Room-temperature Coulomb blockade in carbon nanotubes».