Квантовый транзистор. Квантовомеханические эффекты
Физики, разработчики новых транзисторных структур вплотную подошли к области, где начинают работать квантовые законы, а не законы, связанные с классической электростатикой и электродинамикой.
Несколько атомов - кластер или молекула - тот уровень миниатюризации, на котором существенны пространственные квантовомеханические эффекты, которые необходимо учитывать.
Квантовомеханические эффекты:
Эффект Ааро́нова - Бо́ма (иначе эффект Эренберга - Сидая - Ааронова -Бома) - квантовомеханическое явление, в процессе которого на частицу с электрическим зарядом или магнитным моментом электромагнитное поле влияет даже в тех областях, где сами по себе электрическое поле E и магнитное поле B равны нулю.
Эффект Джозефсона — явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Такой ток называют джозефсоновским током, а такое соединение сверхпроводников - джозефсоновским контактом.
Эффект Мейснера (в некоторых источниках - эффект Мейсснера) - полное вытеснение магнитного поля из объёма проводника при переходе в сверхпроводящее состояние.
Квантовый интерференционный транзистор
В квантовой физике работы такого транзистора существенным является то, что электрон движется не только как частица, но и как волна, а значит, волновые процессы будут накладывать существенные влияние на физику процессов при уменьшении размеров транзисторов.
Квантовый размер малых систем задается длиной волны де Бройля (de Broglie) составляющих системы частиц и расстоянием, на протяжении которого сохраняется когерентность волновой функции.
Во́лны де Бро́йля - волны, связанные с любой микрочастицей и отражающие их квантовую природу.
В 1924 году французский физик Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что установленный ранее для фотонов корпускулярно-волновой дуализм присущ всем частицам - электронам, протонам, атомам и т.д., причём количественные соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц те же, что и для фотонов.
Если частица имеет энергию E и импульс, абсолютное значение которого равно p *), то с ней связана волна, частота которой
ν = E / h (14.1)
и длина волны
λ = h / p, (14.2)
где h - постоянная Планка. Формула де Бройля.
Эти волны получили название волн де Бройля.
Учтя энергию валентных электронов и ширину зоны проводимости, получаем оценочное значение длины волны, соответствующей частице, - около нанометра.
На подобных расстояниях в квантовом мире становятся заметными явления, невозможные в классической физике.
Другая важная характеристика волны — длина когерентности. Она характеризует предельное расстояние, на котором волна сохраняет фазу.
На меньших расстояниях возможны квантовые эффекты, аналогичные интерференции световых волн. В обычных условиях длина когерентности электрона в твердом теле не превышает 10 нм,
Оптическая аналогия позволяет наглядно представить работу квантового нтерференционного транзистора.
На рис.14,2а изображен оптический двухлучевой интерферометр, а также схема электронного транзистора с квантовым кольцевым контуром.
Пропускание интерферометра (оптического или электронного) однозначно зависит от разности набега фаз по двум путям.
Транзисторный эффект (изменение состояния) достигается за счет изменения фазы волны электрона в одном из плеч интерферометра с помощью затворного напряжения, прикладываемого к электроду Э3.
а) б)
Рис. 14.2. Интерференционные транзисторы
Еще одна схема квантового транзистора на основе интерферометра Фабри-Перо (рис.14.2.б).
Оптический резонатор, образованный зеркалами М1 и М2, реализуется в транзисторе с помощью тонкой проводящей нити - квантовой проволоки длиной L, отделенной от электродов Э1 и Э2 полупрозрачными для электронной волны барьерами.
Условие максимума пропускания - условие резонанса волны де Бройля в квантовой яме длиной L.
Транзисторный эффект достигается путем изменения длины волны электрона с помощью напряжения, приложенного к электроду Э3.
Квантовыми проволоками называют структуры толщиной всего в один атом.
Н.Д.Ланг и П.Авурис, IBM, выполнили теоретический расчет проводимости квантовой проволоки, состоящей из атомов углерода.
Наряду с интерференционными транзисторами разрабатываются квантовые транзисторы других типов - баллистического, с эффектом Джозефсона, с кулоновской блокадой.