Kun elektronit muuttuvat ballistisiksi

Physics Focus artikkeli kertoo, että uusi mittausjärjestelmä mittaa pisteen, jossa venytetty lanka kapenee niin paljon, että sen elektronit virtaavat tasaisesti siroamatta.

Nanolangan läpi kulkevalla virralla voi olla ainutlaatuisia kvanttiominaisuuksia, jotka johtuvat ballistisesta kuljetuksesta – johtavien elektronien sirontavapaasta kulusta.

Tämän käyttäytymisen rajojen tutkimiseksi tutkijat ovat nyt rakentaneet "minilaboratorion", joka suorittaa kaksi mittausta kerralla: Se kuvaa muotoaan muuttavaa johtoa ja seuraa samalla sen sähkönjohtavuutta.

Tutkimusryhmä käytti järjestelmää paikantaakseen kultaisten nanolankojen leveyden, tilanteessa jossa ballistinen kuljetus alkaa toimia. Tämä työ voisi auttaa nanoskaalan kytkimien ja muistilaitteiden kehittämisessä.

Normaalissa johdossa johtavuuselektronit kimpoavat jatkuvasti materiaalin atomeista, mikä luo vastusta virran kulkuun. Hyvin kapeissa johdoissa elektronit voivat sitä vastoin käytännössä liikkua päästä toiseen siroamatta.

Nanoradan rajoitetussa geometriassa elektronien aaltofunktio hajoaa joukoksi diskreettejä tiloja, analogisesti kitarankielen seisovien aaltojen kanssa, selittää Xiaodong Han Southern University of Science and Technology in China.

Jokainen moodi on kuin kanava, jossa elektronit kulkevat ballistisesti ja jonka sähkönjohtavuus on kiinteä kvantisoitu arvo. Tämän johtavuuskvantin arvo on 2e²/h, jossa e on elektronin varaus ja h on Planckin vakio.

Tämä kvantisointi johtaa nanolangan johtavuuden diskreetteihin tasoihin, jotka vastaavat nanolangan sisällä olevien moodien lukumäärää. Nämä tasot voisivat toimia memristorin nollina ja ykkösinä. Tasot voivat kuitenkin hämärtyä yhteen, kun langasta tulee liian leveä, joten tutkijat haluavat karakterisoida ballistista kuljetusta nanolangoissa leveyden vaihdellessa.

Kuten atomiresoluution TEM-kuvat paljastivat, tämän muutoksen kriittinen leveys oli 2,5 nm, mikä vastaa lankaa, joka oli kapeimmassa kohdassaan vain 11 atomia leveä. Tiimi jatkoi langan venyttämistä paljastaen lisää diskreettejä johtavuusaskeleita, kunnes lanka katkesi.

Hanin mukaan data – erityisesti johtavuuden vaihtelun mittaukset leveyden pienentyessä – voisi auttaa tutkijoita laitteiden suunnittelussa. Esimerkkinä hän mainitsee kvanttijohtavuusatomikytkimen, vielä kehitteillä olevan piirirakenteen, joka käyttää ballistista kuljetusta atomisiltojen yli. Näitä siltoja voidaan muodostaa ja tuhota – kytkemällä kytkin päälle ja pois päältä – mekaanisten tai sähkökemiallisten prosessien avulla.

Gianluca Milano, memristoriasiantuntija Torinon polyteknisestä yliopistosta Italiasta, sanoo tutkijoiden tarjoavan hyödyllisen alustan. ”Yleisesti ottaen nanorakenteisten laitteiden ballistisen kuljetuksen ymmärtäminen avaa mahdollisuuksia tällaisten järjestelmien uusille sovelluksille.” Milano ja hänen kollegansa osoittivat äskettäin, että ballistista kuljetusta voitaisiin hyödyntää uuden resistanssistandardin luomiseksi kansainväliselle mittayksikköjärjestelmälle (SI).

Aiheesta aiemmin:

Uusi ultraohut johdin nanoelektroniikkaan

Nanolankoja rakennellen

Nanolangat korvaavat lasiprismat