Bloqueo de culombio
En la física mesocópica, una Bloqueo de la bomba ()CB), nombrado después de la fuerza eléctrica de Charles-Augustin de Coulomb, es la disminución de la conductividad eléctrica a pequeños voltajes de sesgo de un pequeño dispositivo electrónico que comprende al menos una unión túnel de baja capacidad. Debido a la CB, la conductividad de un dispositivo puede no ser constante en baja tensión de sesgo, pero desaparecer para sesgos bajo un determinado umbral, es decir, no flujos corrientes.
El bloqueo de Coulomb se puede observar haciendo un dispositivo muy pequeño, como un punto cuántico. Cuando el dispositivo es lo suficientemente pequeño, los electrones dentro del dispositivo crearán una fuerte repulsión de Coulomb que impedirá que fluyan otros electrones. Por lo tanto, el dispositivo ya no seguirá la ley de Ohm y la relación corriente-voltaje del bloqueo de Coulomb parece una escalera.
Aunque el bloqueo de Coulomb se puede utilizar para demostrar la cuantificación de la carga eléctrica, sigue siendo un efecto clásico y su descripción principal no requiere mecánica cuántica. Sin embargo, cuando hay pocos electrones involucrados y se aplica un campo magnético estático externo, el bloqueo de Coulomb proporciona la base para un bloqueo de espín (como el bloqueo de espín de Pauli) y un bloqueo de valle, que incluyen efectos de la mecánica cuántica debido a las interacciones de espín y orbitales, respectivamente, entre los electrones. .
Los dispositivos pueden componer electrodos metálicos o superconductores. Si los electrodos son superconductores, Cooper pares (con un cargo de menos dos cargos elementales − − 2e{displaystyle -2e}) llevar la corriente. En el caso de que los electrodos sean metálicos o normal-conducting, es decir, ni superconducting ni semiconducting, electrones (con cargo de − − e{displaystyle -e}) llevar la corriente.
en una unión de túnel
La siguiente sección es para el caso de las uniones del túnel con una barrera aislante entre dos electrodos conductores normales (uniones NIN).
La unión del túnel es, en su forma más simple, una barrera aislante delgada entre dos electrodos conductores. Según las leyes de la electrodinámica clásica, ninguna corriente puede fluir a través de una barrera aislante. Sin embargo, de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, existe una probabilidad no destripadora (mayor que cero) para un electrón en un lado de la barrera para llegar al otro lado (ver túnel cuántico). Cuando se aplica un voltaje de polarización, esto significa que habrá una corriente y, descuidando los efectos adicionales, la corriente de túnel será proporcional al voltaje de polarización. En términos eléctricos, la unión del túnel se comporta como una resistencia con una resistencia constante, también conocida como resistencia óhmica. La resistencia depende exponencialmente del grosor de la barrera. Típicamente, el grosor de la barrera es del orden de uno a varios nanómetros.
Una disposición de dos conductores con una capa aislante entre no solo tiene resistencia, sino también una capacitancia finita. El aislante también se llama dieléctrico en este contexto, la unión del túnel se comporta como un condensador.
Debido a la discrepancia de la carga eléctrica, la corriente a través de un túnel de unión es una serie de eventos en los que pasa exactamente un electrón (túneles) a través de la barrera del túnel ( descuidamos el cotunneling, en el que dos electrones túnel simultáneamente). El condensador de unión túnel está cargado con una carga elemental por el electron de túnel, causando una acumulación de tensión U=e/C{displaystyle U=e/C}, donde C{displaystyle C} es la capacitancia de la unión. Si la capacitancia es muy pequeña, la acumulación de tensión puede ser lo suficientemente grande para evitar que otro electrón de túnel. La corriente eléctrica se suprime a baja tensión de sesgo y la resistencia del dispositivo ya no es constante. El aumento de la resistencia diferencial alrededor de cero se llama bloqueo de Coulomb.
Observación
Para que el bloqueo de Coulomb sea observable, la temperatura tiene que ser lo suficientemente baja como para que la energía de carga característica (la energía que se requiere para cargar la unión con una carga elemental) sea mayor que la energía térmica de la carga. transportistas. En el pasado, para capacitancias superiores a 1 femtofaradio (10−15 faradio), esto implicaba que la temperatura tenía que estar por debajo de aproximadamente 1 kelvin. Este rango de temperatura lo alcanzan habitualmente, por ejemplo, los frigoríficos de helio-3. Gracias a puntos cuánticos de pequeño tamaño, de sólo unos pocos nanómetros, el bloqueo de Coulomb se ha observado inmediatamente por encima de la temperatura del helio líquido, hasta la temperatura ambiente.
Para hacer una unión de túnel en la geometría de un condensador de placas con una capacitancia de 1 femtofaradio, utilizando una capa de óxido de permitividad eléctrica 10 y espesor de un nanómetro, se deben crear electrodos con dimensiones de aproximadamente 100 por 100 nanómetros. Este rango de dimensiones se alcanza habitualmente, por ejemplo, mediante la litografía por haz de electrones y tecnologías apropiadas de transferencia de patrones, como la técnica de Niemeyer-Dolan, también conocida como técnica de evaporación de sombras. Se ha logrado la integración de la fabricación de puntos cuánticos con la tecnología industrial estándar para el silicio. Se ha implementado el proceso CMOS para obtener una producción masiva de transistores de punto cuántico de un solo electrón con un tamaño de canal de hasta 20 nm x 20 nm.
Transistor de un solo electrón
El dispositivo más simple en el que se puede observar el efecto del bloqueo de Coulomb es el llamado transistor de un solo electrón. Consta de dos electrodos conocidos como drenaje y fuente, conectados a través de uniones de túnel a un electrodo común con baja autocapacitancia, conocido como isla. El potencial eléctrico de la isla se puede sintonizar mediante un tercer electrodo, conocido como puerta, que está acoplado capacitivamente a la isla.
En el estado de bloqueo, no hay niveles de energía accesibles dentro del rango de túnel de un electrón (en rojo) en el contacto de la fuente. Todos los niveles de energía del electrodo de isla con energías más bajas están ocupados.
Cuando se aplica un voltaje positivo al electrodo de puerta, los niveles de energía del electrodo de isla se reducen. El electrón (verde 1.) puede hacer un túnel hacia la isla (2.), ocupando un nivel de energía previamente vacante. Desde allí puede hacer un túnel hasta el electrodo de drenaje (3.), donde se dispersa de manera inelástica y alcanza el nivel Fermi del electrodo de drenaje (4.).
Los niveles de energía del electrodo de la isla son uniformemente espaciados con una separación de Δ Δ E.{displaystyle Delta E.} Esto da lugar a una autocapacitación C{displaystyle C} de la isla, definida
- C=e2Δ Δ E.{displaystyle C={f} {fnK}{f} {fnMicroc} {f}} {fn}}} {fn}}}} {f}}}} {fnMicrosoft}}}} {f}}}}} {f}}}}}}}}}}}} { Delta E}}
Para lograr el bloqueo de Coulomb, se deben cumplir tres criterios:
- El voltaje del sesgo debe ser inferior a la carga elemental dividida por la capacidad de la isla: <math alttext="{displaystyle V_{text{bias}}Vparcialesc)eC{displaystyle V_{text{bias} frac {E} {C}}<img alt="{displaystyle V_{text{bias}};
- La energía térmica en el contacto fuente más la energía térmica en la isla, es decir. kBT,{displaystyle k_{rm {}T,} debe estar debajo de la energía de carga: <math alttext="{displaystyle k_{rm {B}}TkBTc)e22C,{displaystyle k_{rm No lo hice. {e^{2}{2C}}}<img alt="{displaystyle k_{rm {B}}T o el electron será capaz de pasar el QD a través de la excitación térmica; y
- La resistencia al túnel, Rt,{displaystyle R_{rm {t}} debe ser mayor que he2,{displaystyle {frac {h}{e^{2}}} que se deriva del principio de incertidumbre de Heisenberg.
Termómetro de bloqueo de la bomba
Un típico termómetro de bloqueo de Coulomb (TCC) está fabricado a partir de una serie de islas metálicas, conectadas entre sí a través de una fina capa aislante. Se forma una unión de túnel entre las islas y, a medida que se aplica voltaje, los electrones pueden atravesar esta unión. Las tasas de tunelización y, por tanto, la conductancia varían según la energía de carga de las islas, así como la energía térmica del sistema.
El termómetro de bloqueo de Coulomb es un termómetro primario basado en las características de conductancia eléctrica de los conjuntos de uniones de túneles. El parámetro V½ = 5.439 NkBT/e, el ancho total a la mitad El mínimo de la caída de conductancia diferencial medida sobre una serie de uniones N junto con las constantes físicas proporcionan la temperatura absoluta.
Bloqueo iónico de Coulomb
El bloqueo iónico de Coulomb (ICB) es el caso especial del CB, que aparece en el transporte electrodifusivo de iones cargados a través de nanoporos artificiales subnanómetros o canales iónicos biológicos. El ICB es muy similar a su contraparte electrónica en puntos cuánticos,[1] pero presenta algunas características específicas definidas por valencias z posiblemente diferentes de los portadores de carga (iones permeables frente a electrones) y por el diferente origen del motor de transporte (electrodifusión clásica vs túnel cuántico).
En el caso del ICB, brecha de la Coulomb Δ Δ E{displaystyle Delta E} se define por la energía auto-energía eléctrica de ion entrante dentro del poro/canal
El ICB se ha observado recientemente experimentalmente en subnanometer MoS2{displaystyle {ce {fnK}} Poros.
En los canales de iones biológicos ICB normalmente se manifiesta en fenómenos de selectividad de valence como Ca2+{displaystyle {text{Ca}} {2+}} bandas de conducción (vs carga fija Qf{displaystyle Q_{rm {f}}) y el bloqueo divalente dependiente de la concentración de la corriente de sodio.
