Кулоновская блокада

Основы явления

Кулоновская блокада — квантово-электрический эффект, возникающий в наноструктурах при переносе заряда через объект малого размера (например, наночастицу, квантовую точку), обладающий малой ёмкостью. При достаточно низкой температуре и малом размере объекта происходит дискретизация зарядового состояния, что ведёт к подавлению туннельного тока при напряжениях ниже определённого порога.

Физический механизм

Малый размер объекта означает маленькую ёмкость C.
Энергия зарядки электрона на объекте определяется как $E_C = \frac{e^2}{2C}$, где e — заряд электрона.
Если тепловая энергия k_BT меньше E_C, то добавление или удаление электрона сопряжено с заметным энергетическим барьером.
При малом приложенном напряжении ток через наночастицу отсутствует — происходит блокировка переноса заряда.

Условия наблюдения

Для проявления кулоновской блокады необходимы:

Малые размеры наночастицы (радиус — несколько нанометров).
Низкая температура (обычно ниже 1 К, но для наночастиц с очень малой ёмкостью — до десятков К).
Слабое туннельное соединение с контактами (для предотвращения ослабления эффекта).
Высокое сопротивление барьера туннеля, превышающее сопротивление квантового сопротивления $R_K = \frac{h}{e^2} \approx 25.8 \, \text{k}\Omega$.

Модель “одного электронного транзистора”

Кулоновская блокада является основой работы одноэлектронного транзистора (ОЭТ), в котором ток через квантовую точку регулируется контролирующим электродом, изменяющим энергетические уровни. В таком устройстве наблюдается переход между состояниями с разным числом электронов, что проявляется в виде характерных «кубитов» на графике зависимости тока от напряжения.

Экспериментальные проявления

Появление ступеней тока (Coulomb staircase) при изменении приложенного напряжения.
Пиковое поведение дифференциальной проводимости.
Зависимость проводимости от управляющего напряжения (Coulomb oscillations).

Теоретические подходы

Классическая модель электрического островка с ёмкостью и туннельными барьерами.
Квантово-механические методы, учитывающие спин и квантовые эффекты.
Мастер-уравнения для описания кинетики электронного переноса.

Применения кулоновской блокады

Наноэлектроника: создание одноэлектронных устройств, таких как транзисторы и логические элементы.
Метrologie: высокоточные измерения заряда и напряжения.
Квантовые вычисления: контроль одиночных электронов.
Сенсоры и детекторы с повышенной чувствительностью.