Het begin van de twintigste eeuw markeerde een keerpunt in de wetenschap met de beroemde olie-druppel experimenten van de natuurkundige Millikan, waarin hij ontdekte dat de elektrische ladingen, gedragen door de microscopische olie druppels, altijd een geheel veelvoud zijn van een fundamentele elektrische lading. Dit leidde tot de identificatie van het elektron als de drager van de elementaire lading, waarbij deze lading wordt uitgedrukt als e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. Hoewel Millikan destijds niet in staat was om een enkel elektron te isoleren, heeft de vooruitgang in de micro-lithografie technologie in de afgelopen decennia het mogelijk gemaakt om halfgeleider microstructuren te fabriceren die kleiner zijn dan 100 nm, waarmee men het gedrag van elektronen op een enkele eenheid kan controleren. Dit is de essentie van het enkel-elektron effect.

In 1989 creëerden Scott-Thomas en collega’s een dubbel-gate apparaat met een 70 nm brede opening tussen de onderste en bovenste poort op smalle Si-inversielaag. De invloedsgebieden van beide poorten zouden samen een nanoschaal kanaal vormen dat de beweging van elektronen op een uitzonderlijk gedetailleerd niveau zou reguleren. De gecontroleerde aanpassing van de spanning op de bovenste poort zorgt ervoor dat de elektronenbevolking in de inversielaag nauwkeurig kan worden gecontroleerd, wat leidt tot de observatie van periodieke oscillaties in de geleiding van het apparaat. Dit mechanisme speelt een cruciale rol in de totstandkoming van de zogenaamde enkel-elektron transistoren (SET), die in staat zijn om de elektronbeweging met extreme precisie te sturen.

Wanneer we naar de experimenten kijken die uitgevoerd werden met dergelijke nanostructuren, bijvoorbeeld de MET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) in figuur 6.1, wordt de geleiding als functie van de spanning op de bovenste poort VG weergegeven. Deze experimenten tonen duidelijke periodieke oscillaties die samenhangen met het aantal elektronen per eenheidslengte. De mogelijkheid om deze oscillaties te koppelen aan een exact aantal elektronen per spanningsverandering heeft nieuwe inzichten opgeleverd in de werking van quantum dot structuren. Dit blijkt uit de spectrale analyses, die laten zien dat de oscillerende geleiding direct afhankelijk is van de afstanden tussen onzuiverheden in het kanaal, die de elektronische toestanden binnen de nanostructuren beïnvloeden.

De ontwikkeling van deze microstructuren ging echter niet zonder technische uitdagingen. In eerdere pogingen om electronen door nauwe kanalen te sturen, werd geen consistente periodiciteit gevonden, vooral vanwege de beperkingen in de lithografische technologie van die tijd. De huidige technologie heeft deze obstakels overwonnen, en experimenten met kortere kanalen hebben de onderzoekers in staat gesteld om nauwkeurigere voorspellingen te doen over het gedrag van de elektronen. Het afstemmen van de geometrie van het kanaal bleek essentieel om de oscillerende periodiekheid te beheersen.

Een ander significante vooruitgang werd bereikt door de combinatie van GaAs/AlGaAs modulaire doping heterostructuren. Deze structuren maakten het mogelijk om nanostructuren te vervaardigen met aanzienlijk minder storende onzuiverheden in vergelijking met eerdere siliconen gebaseerde systemen, wat resulteerde in een schoner kanaal en een grotere betrouwbaarheid van de experimenten. De verbeterde controle over de oscillatieperioden van de geleiding, bijvoorbeeld door de geavanceerde geometrie van de constricties, heeft de onderzoekers in staat gesteld om periodieke gedragstrends voor verschillende samples nauwkeurig te analyseren en te herhalen, zelfs na thermische cycli, die voorheen onvoorspelbaarheid introduceerden in de experimentele resultaten.

Toch blijft de vraag of elke oscillatie daadwerkelijk overeenkomt met de toevoeging van een enkel elektron een belangrijk punt van discussie. Simulaties met drie dimensionale structuren suggereren dat het toevoegen van een elektron correspondeert met een voorspelbare verandering in de poortspanning, wat uiteindelijk bevestigt dat de oscillatie van de geleiding direct gerelateerd is aan het toevoegen van individuele elektronen aan het systeem. Dit biedt een interessante benadering voor het verdere onderzoek naar nanostructuren en hun toepassingen in quantumcomputers en geavanceerde elektronica.

Wat belangrijk is om te begrijpen in het kader van het enkel-elektron effect, is dat de nauwkeurigheid en stabiliteit van deze systemen cruciaal zijn voor hun toepassing in toekomstig geavanceerde technologieën, zoals quantumcomputers. De schaalverkleining van elektronische componenten naar het nanoniveau biedt ongekende mogelijkheden voor snelheid en energie-efficiëntie, maar introduceert tegelijkertijd nieuwe uitdagingen, zoals de invloed van kwantummechanische effecten, onzekerheden in de onzuiverheden en de effecten van externe velden. De controle over de periodieke oscillaties van de elektronengeleiding kan niet alleen de basis leggen voor fundamenteel onderzoek in de natuurkunde, maar ook voor de ontwikkeling van uiterst efficiënte en krachtige elektronische apparaten.

Hoe Magneetvelden Invloed Hebben op de Elektronentransport in Dubbele Kwantumdots: Spin- en Coulombseffecten

In kwantumdotsystemen, die essentieel zijn voor de ontwikkeling van nano-elektronische apparaten, hebben zowel Coulomb-interacties als magneetvelden een significante invloed op het transport van elektronen. In deze context wordt het effect van magnetische velden op het elektronenvervoer in verticaal gekoppelde kwantumdotsystemen besproken, met de nadruk op de mechanismen van elastische tunneltransitie, spinblokkeringsfenomenen en de rol van de Pauli-exclusieprincipe.

De magnetische energie-spectrum van deze systemen vertoont een aantal specifieke patronen afhankelijk van de veldsterkte BB. In figuur 6.24 is bijvoorbeeld te zien dat bij een nul-magnetisch veld de energieverdeling een degeneratie vertoont, wat resulteert in een invulling van de toestanden door de elektronen volgens de magische getallen 2, 6, 12, 20, enzovoorts. Dit fenomeen wordt verder beïnvloed door de magnetische veldsterkte, wat leidt tot splitsing van de oorspronkelijke gedegeerde toestanden en de opkomst van singlet-toestanden. Dit proces kan worden begrepen via Hund's regel, die de voorkeur geeft aan de invulling van elektronen met tegengestelde spins in een singlettoestand, wat de interactie-energie minimaliseert.

Bij de verhoogde magnetische velden neemt het aantal oscillaties in de spanning toe, hetgeen een belangrijke aanwijzing is voor de interactie tussen de spin- en ruimtelijke toestand van de elektronen. Dit gedrag wordt verder geanalyseerd in experimenten waarbij het tunnelen van elektronen tussen twee verticale kwantumdots wordt bestudeerd. In deze configuraties kan de elektrische geleiding als functie van de poortspanning en de bron-drain spanning worden gemeten, wat het gedrag van de Fock-Darwin-toestanden en hun magnetische veldafhankelijkheid blootlegt.

Het tunnelen tussen de kwantumdots wordt bepaald door elastische tunnelingprocessen, die optreden wanneer een hoger orbitalen (n,l) toestand van de ene dot zich uitlijnt met de laagste (0,0) toestand van de andere dot. Dit resulteert in een piek in de stroom die wordt gemeten, en deze pieken variëren afhankelijk van de magnetische veldsterkte BB. De piekhoogtes nemen af naarmate de quantumtoestand van hogere hoeken wordt bereikt, wat wijst op een selectiviteit van de hoekmomentum bij de elektronentunneling tussen de dots.

Een bijzonder interessant verschijnsel is de spinblokkerings-effect, veroorzaakt door de Pauli-exclusieprincipe, wat verhindert dat twee elektronen met gelijke spins in dezelfde ruimtelijke orbitalen kunnen bestaan. In een dubbele-dotconfiguratie, zoals aangetoond in de experimenten van Ono et al., kan dit effect worden gebruikt om de stroom in één richting volledig te blokkeren, terwijl de stroom in de tegenovergestelde richting kan worden toegelaten. Dit idee is de basis voor de zogenaamde spin-Coulomb rectifier, een apparaat dat het mogelijk maakt om de stroom op basis van de spin van de elektronen te regelen. Dit effect wordt versterkt door de zwakke koppeling tussen de sites, die resulteert in de degeneratie van de spin-singlet en spin-triplet toestanden.

In systemen met een omgekeerde spanning kan een elektron met een antiparallelle spin gemakkelijk op de tweede site worden geïnjecteerd, wat het mogelijk maakt om de stroom in de tegenovergestelde richting te faciliteren. De invloed van de spin en de Coulomb-interacties op het tunnelen wordt gedetailleerd weergegeven in de dI/dV-curve, die de elektrische geleiding van het systeem als functie van de spanningen toont.

Het is belangrijk te begrijpen dat de elektronische toestanden in dergelijke systemen niet alleen worden bepaald door de lokale dichtheid van toestanden, maar ook door de interacties tussen de verschillende kwantumdots en het magnetische veld. De veranderingen in het tunnelen door de variërende orbitalen en spins spelen een cruciale rol bij het afstemmen van deze systemen voor specifieke toepassingen, zoals in spintronic-apparaten en andere geavanceerde nanotechnologische componenten.

Endtext

Hoe Komen We Voordeel Halen uit de Gevaarlijke Kosmische Objecten?
Hoe nieuw ontworpen fotoinitiatoren de efficiëntie van twee-foton 3D-printen verbeteren
Hoe Planeten Zich Vormen en Migreren in hun Sterrenstelsels
Hoe werkt de stochastische gemiddelde methode voor quasi-integrabele Hamiltoniaanse systemen met interne resonantie en fractaal Gaussisch ruis?