Квантовые нити (quantum wires) представляют собой одномерные наноструктуры, в которых движение носителей заряда ограничено в двух поперечных направлениях, оставляя лишь одно направление для свободного перемещения. Это приводит к квантованию энергии в поперечных направлениях, а вдоль продольной оси проводимости сохраняется классическое поведение, но с квантовыми особенностями, проявляющимися при малых масштабах.
Квантовые нити могут иметь различные геометрические формы: цилиндрические, прямоугольные и трапециевидные. Материалы для их изготовления чаще всего используют полупроводники с прямой зонной структурой, например, GaAs, InAs, InP, а также Si и Ge. Достижение высокой степени чистоты и точности формирования границ критично для проявления квантовых эффектов.
Ограничение движения в двух поперечных направлениях приводит к появлению дискретных уровней энергии. Если рассматривать квантовую нить как потенциал с бесконечными стенками, энергия поперечных мод выражается как:
$$ E_{n_x, n_y} = \frac{\hbar^2 \pi^2}{2m^*} \left(\frac{n_x^2}{L_x^2} + \frac{n_y^2}{L_y^2}\right), $$
где nx, ny = 1, 2, 3… — квантовые числа, Lx, Ly — размеры поперечного сечения, m* — эффективная масса электрона. Дискретные уровни энергии формируют так называемые одномерные подзоны, каждая из которых может быть заполнена электронами в соответствии с принципом Паули.
Ключевым следствием квантования является появление шагаобразной зависимости проводимости от поперечного сечения и уровня энергии, что проявляется в экспериментальных измерениях на низких температурах.
В квантовых нитях проводимость носителей определяется формулой Ландауэра:
$$ G = \frac{2 e^2}{h} \sum_i T_i, $$
где Ti — вероятность прохождения электрона через i-ю квантовую подзону. В идеальной одномерной системе Ti = 1, что приводит к квантованию проводимости в единицах $\frac{2 e^2}{h}$. Этот эффект наблюдается при температурах, когда тепловая энергия kBT меньше энергии расщепления между соседними подзонами.
Одномерный характер квантовых нитей усиливает взаимодействие электронов, приводя к эффектам типа локализации, когерентного рассеяния и эффекта Томонага-Люттингера, что принципиально отличает их от двумерных и трехмерных систем.
Квантовые нити демонстрируют ярко выраженные квантовые эффекты и в оптическом спектре. Переходы электронов между дискретными уровнями сопровождаются излучением или поглощением фотонов строго определенной энергии. Это приводит к узким спектральным линиям и позволяет использовать квантовые нити в нанофотонике и оптоэлектронике, например, в лазерах с низким порогом возбуждения и наносветодиодах.
Из-за сильного квантового ограничения в поперечном направлении наблюдается усиление электростатического взаимодействия носителей заряда, что проявляется в форме экситонных состояний с высокой связующей энергией.
Ключевым требованием является обеспечение высокой однородности размеров и минимизация дефектов, так как дисперсия поперечных размеров приводит к размыванию квантовых эффектов.
Электронный транспорт в квантовых нитях зависит от длины нити, температуры и внешних полей. В слабых электрических полях проводимость определяется когерентным движением электронов вдоль нити, а при высоких полях возникают эффекты переноса, включая туннельное и резонансное прохождение через потенциальные барьеры, что используется в одноэлектронных транзисторах и резонансно-туннельных устройствах.
Магнитное поле, приложенное перпендикулярно продольной оси, вызывает дробление одномерных подзон на ландовые уровни, что приводит к изменению оптических и транспортных характеристик.
Квантовые нити представляют собой уникальную платформу, где одномерная природа носителей заряда позволяет наблюдать квантовые эффекты, отсутствующие в более крупных структурах. Их изучение и внедрение открывает путь к созданию высокоэффективных наноустройств и развитию фундаментальной физики низкоразмерных систем.