Введение к работе
Актуальность темы.
В первой половине восьмидесятых годов произошло зарождение новой области физической и прикладной электроники. В 1982-85 гг. были предсказаны эффекты дискретного коррелированного одноэлектронного туннелнрования.
Эти эффекты могут происходить в туннельных переходах очень малых размеров ( менее сотой доли квадратного микрона) при низких температурах. Они заключаются в том, что из-за электрической перезарядки очень малой емкости туннельного перехода ( С » Ю15 Ф) при туннелировании даже одиночного электрона на переходе происходит изменение электрического напряжения А V = е/С, где е = 1,6 х 10" К - заряд электрона. При указанных выше емкостях переходов это изменение напряжения хотя и мало (порядка 10"* В), но достаточно, чтобы значительно влиять на туннелирование следующих электронов в этой системе. В результате такого взаимодействия устанавливается значительная корреляция между туннелированием отдельных электронов.
Эта корреляция имеет различный характер в зависимости от конкретной туннельной структуры. Например, в одиночном переходе, через который пропускается ток I , такая корреляция вызывает периодическое туннелирование отдельных электронов с периодом Т = e/I, т.е. колебания с частотой
fsFT=I/e. (1)
Эти, так называемые одно электронные колебания, были предсказаны Д.В.Авериным и К.К-Лихаревым в 1985 году [1,2].
В случае сверхпроводящих джозефсоковских переходов, коррелированное туннелирование куперовских пар приводит к другому фундаментальному явлению - так называемым "блоховским" колебаниям с частотой
Гвшсн = Ше. (2)
Теория этого явления была развита К.К.Лихаревым и А.Б.Зориным в 1984г. [3]. Однако были серьезные возражения к возможности реализовать этот эффект [4] из-за влияния диссипации, которая, вероятно, могла разрушить макроскопическую квантовую когерентность.
При последовательном соединении двух связанных туннельных переходов,
смещенных напряжением, колебания (1,2) не возникают. Зато в такой системе
возникает сильная пространственная корреляция актов туннелнрования через
различные переходы, приводящая к периодической зависимости тока через
систему от заряда среднего электрода. Эта зависимость оказывается
периодической, с периодом равным элементарному заряду:
I(Q+e) = I(Q). (3)
так что изменение даже на малую долю V весьма существенно сказывается на токе. Это явление, дающее начало транзисторному эффекту, было предсказано К.К.Лихаревым в 1986 году [5].
Экспериментальное обнаружение предсказанных эффектов дискретного коррелированного туннелнрования открыло бы уникальные возможности в прикладной электронике, поскольку предоставляло первую возможность
контроля движения отдельных электронов в твердотельных интегральных схемах. Теоретические предсказания были широко известны научной общественности, актуальность темы не вызывала сомнения, и работа по обнаружению эффектов протекала в острой конкурентной борьбе нескольких лабораторий.
Цель работы Диссертация посвящена экспериментальному наблюдению и исследованию основных фундаментальных эффектов дискретного туннелирования электронов и куперовских пар в сверхмалых туннельных переходах, возникающих из-за зарядовых эффектов в малых емкостях туннельных переходов. Целью данного цикла исследований являлось:
-экспериментальное обнаружение и исследование эффекта пространственной корреляции туннелирования электронов (транзисторный эффект) в системе двух сверхмалых туннельных переходов при низких температурах.
-экспериментальное обнаружение и исследование эффекта временной корреляции туннелирования электронов (одноэлектронные колебания) в одноразмерных цепочках туннельных переходов и в одиночных туннельных переходах с внешней электрической цепью, обладающей высоким импедансом Rs превосходящим квантовое сопротивление Rq = УАІ к 6.5 kfi.
-экспериментальное обнаружение и исследование эффекта временной корреляции туннелирования куперовских пар (блоховские колебания) в сверхмалых джозефсоновских переходах с высоким импедансом внешней электрической цепи Rs » Rq
Научная новизна. Впервые достигнут научный уровень, когда контролируемая манипуляция одиночными электронами стала возможной. В диссертационной работе впервые экспериментально наблюдены и исследованы все основные фундаментальные эффекты дискретного коррелированного туннелирования зарядов в сверхмалых туннельных переходах, которые дают начало новой научной области -Одноэлектронике.
Следующие результаты получены впервые и выносятся на защиту:
1. Впервые экспериментально обнаружено явление пространственной корреляции дискретного тунелирования электронов (транзисторный эффект) в системе двух туннельных переходов, соединенных металлической гранулой [А1-А2]. (Это явление, было независимо и практически одновременно обнаружено также сотрудниками Bell Lab Т.Фултоном и Дж.Доланом [6] в США . По совпадению, публикации поступили в редакции Писем в ЖЭТФ и . в один и тот же день, 6 марта 1987 года). Это явление использовано для создания новых видов устройств - одноэлектронных транзисторов, - с рекордной чувствительностью по заряду 5Q s ЇСИ е/Гц"* .
2. Найдена тенденция к двойному последовательному туннелированию через барьер для высокоомных одиночных туннельных переходов, проявляющееся в появлении кулоновской блокады и "кулоновской лестницы" ступенек на вольтамперных характеристиках. Найденный эффект использован, в частности, для объяснения несоответствия между емкостью переходов, рассчитанной из напряжения смещения асимптот вольт-амперных характеристик (ВАХ) и из
геометрических расмеров, а также периодических структур на ВАХ контактов с ВТСП материалами, ошибочно трактовавшихся ранее как многощелевые особенности.
3. Экспериментально доказано сильное влияние внешней
электродинамической системы на свойства туннельного перехода малой
площади. Показано, что взаимодействие туннелирующего электрона с
электродинамическим окружением определяется соотношением
неопределенности Гейзенберга и происходит за время, существенно (на 3 порядка) превышающее время туннелирования через изолирующий барьер.
4. Впервые экспериментально обнаружен эффект временной корреляции дискретного туннелирования одиночных электронов (одноэлектронные колебания) в одноразмерных цепочках туннельных переходов. Частота одноэлектронных колебаний связана квантовым соотношением с током через туннельные переходы /set = I /е . Одноэлектронные колебания обнаружены также в одиночных джозефсоновских переходах с резисторами в цепях смещения при задавливании сверхпроводимости магнитным полем. Без магнитного поля в таких переходах происходят блоховские колебания (см. пункт 5).
5. Впервые экспериментально обнаружены блоховские колебания в сверхмалых джозефсоновских переходах площадью 0.01 мкм2, происходящие благодаря коррелированному во времени туннелированию куперовских пар. Частота колебаний связана квантовым соотношением с током смещения через переход: fsiocH = / f2e. Шунтирующее влияние внешней электродинамической системы было уменьшено с помощью резисторов, помещенных в цепях постоянного тока. Наблюдение произведено путем синхронизации блоховских колебаний внешним монохроматическим сигналом по появлению ступенек с положением по току пропорциональным частоте приложенного сигнала.
6. Проведены специальные эксперименты по самоселективному
детектированию блоховских колебаний в малых джозефсоновских переходах с
использованием слабого высокочастотного сигнала. Зти эксперименты
подтвердили существование автономных блоховских колебаний и,
следовательно, макроскопическую квантовую когерентность, лежащую в их
основе. Эти эксперименты связаны с тем, что наблюдение блоховских
колебаний вызвало оживленную теоретическую дискусию о справедливости
использования сильного высокочастотного сигнала для обнаружения
"классических" блоховских колебаний и об основах этого явления в свете
макроскопической квантовой когерентности, противоречащей общепринятой
интерпретации квантовой механики. Обсуждалась модель резонансного
туннелирования под действием сильного сигнала, не включающего
макроскопическую квантовую когерентность. Для прояснення этого вопроса и
были поставлены эксперименты по самоселективному детектированию, которые
подтвердили базовую модель блоховских колебаний.
7. Исследована ширина линии блоховских колебаний в одиночном
джозефсоновсом переходе с резисторами. При исследовании температурной
зависимости ширины линии блоховских колебаний обнаружено, что при низких
температурах Г эта зависимость не следует теоретически предсказанной
Г = (n/e)2ksT/RJf где kg - постоянная Больцмана, R, -сопротивление внешней
цепи, а выходит на плато, уровень которого зависит от частоты облучающего
сигнала, и, следовательно, от тока смещения через переход. Показано, что
данное расхождение качественно хорошо объясняется эффектом горячих
электронов в резисторах.
8. Экспериментально исследована величина критического тока малых джозефсоновских контактов. Показано, что в области слабых джозефсоновских связей Ej/Ec « / критический ток определяется зинеровским туннелированием, а в области очень слабых джозефсоновских связей Е/Ес « (а,)3 «/ (о, = hJ4c2Rs - безразмерная проводимость внешней электрической цепи) эффектом некогерентного туннелирования куперовских пар. Эксперименты проведены на одиночных джозефсоновских контактах с резисторами, причем контакты делались в форме сквида для возможности варьировать джозефсоновскую связь в широких пределах.
9. Впервые исследована работа сверхпроводящего одно электронного транзистора (блоховского транзистора) с высоким импедансом внешней электрической цепи. Наблюдена 2е-периодическая модуляция ВАХ транзистора, которая сохранялась до температуры Г« 250 мК, чему дано объяснение в рамках модели четности числа электронов на сверхпроводящем острове.. Использование резисторов вблизи острова позволило существенно усилить эффект четности за счет лучшей защищенности транзистора от неравновесных квазичастиц. Обнаружено возрастание амплитуды 2е-периодической модуляции с магнитным полем, что ранее не наблюдалось в транзисторах с малым внешним импедансом. Этому дано обьяснение в рамках модели блоховских энергетических зон транзистора.
Практическая ценность. Наблюдение эффектов коррелированного одноэлектронного туннелирования открыло уникальные возможности в прикладной электронике, поскольку предоставило первую возможность контроля движения отдельных электронов в твердотельных интегральных схемах. На основе этих эффектов возможно создание принципиально новых устройств с уникальными характеристиками.
Наблюдение коррелированного одноэлектронного туннелирования в пространстве открыло путь к реализации одноэлектронных транзисторов, которые уже сейчас активно используются как сверхчувствительные электрометры с разрешением по заряду порядка Ю-4 заряда электрона. Эта чувствительность на шесть порядков превосходит чувствительность стандартных электрометров. В настоящее время в мире создано более 20 лабораторий по одкоэлектронике и практически все они используют однозлектронные транзисторы в своей работе.
Наблюдение коррелированного во времени туннелирования электронов и куперовских пар (однозлектронные и блоховские колебания) открыло путь к реализации абсолютных измерителей и квантовых стандартов малых электрических токов в нескольких диапазонах от 10-" до 10й А. Соотношения для одноэлектронных (1) и блоховских (2) колебаний связывают частоту и ток и замыкают знаменитый квантовый метрологический треугольник. Частота и напряжение связываются квантовым соотношением Джозефсона, напряжение и ток связываются квантовым эффектом Холла, а однозлектронные и блоховские колебания связывают частоту и ток и замыкают этот треугольник. Это позволяют проводить самосогласованное определение квантовых постоянных. Работы над созданием одноэлектронных стандартов тока ведутся в нескольких лабораториях и недавно было получено сообщение из лаборатории НИСТ (Болдер) о реализации такого стандарта тока с точностью 1.5x10-', что достаточно для работы по уточнения мировых постоянных.
Эффекты дискретного коррелированного одноэлектронного туннелирования сделали возможным создание одноэлектроннных ячеек памяти. Несколько лабораторий и промышленных фирм уже продемонстрировали единичные ячейки. В перспективе возможно создание нового поколения цифровых СБИС с исключительно высокой степенью интеграции элементов логики и памяти.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на 2 Международной конференции по сверхпроводниковой электронике (ISEC89, Япония, 1989), 19 Международной конференции по физике низких температур (LT-19, Англия, 1990), Юбилейном Нобелевском симпозиуме посвященном 90-летию Нобелевских премий (Швеция, 1991), 2 Международной конференции по макроскопическим квантовым явлениям (ICMQP-2, Чехословакия, 1992), Международной конференции по прикладной сверхпроводимостк (ASC92, США, 1992), 29 Совещании по физике низких температур (Казань, 1992), 20 Международной конференции по физике низких температур (LT-20, США, 1993), 4 Международной конференции по сверхпроводниковой электронике (ISEC93, США, 1993), Международной конференции по твердотельным приборам и материалам (Япония, 1993), Международных конференциях EUROMET по одноэлектронике и квантовым стандартам тока (Париж 1993, Брауншвайг 1996), Семинаре Мотта в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета (Англия, 1994), 21 Международной конференции по физике низких температур (LT-21, Чехия, 1996), 2 Международной конференции по одноэлектронике (США, 1996), а также на ряде других конференций и семинаров в МГУ, ФИАН и Чалмерсском университете (Ґетеборг).
Вопросы авторства и публикаций.
Результаты описанных в диссертации исследований автора были опубликованы в 1987-1996 годах в работах [А1-А50], приведенных отдельным списком в конце доклада. В тех случах, когда необходимо упоминание результатов других авторов, на их результаты сделаны ссылки, список которых дан в конце доклада.
Большинство работ было выполнено автором либо самостоятельно,
либо в соавторстве с теоретиками и аспирантами, работавшими под
руководством автора, В работах, содержащих теоретические разработки, на
защиту выносятся лишь экспериментальные результаты. В работах с
аспирантами вклад автора состоял в постановке задач, разработке методик,
включая топологию образцов, проведение измерений и обработке результатов.
По основным фундаментальным эффектам, экспериментально обнаруженным
автором, транзисторный эффект [А1-А2] был наблюден им самостоятельно.
Автор теоретического предсказания, К.К. Лихарев, участвовал в сравнении
экспериментальных результатов с его теоретической моделью. Обнаружение
блоховских колебаний [А23~А25] было сделано автором в соавторстве с Д.
Хевилендом, учавствовавшим в разработке альтернативной технологии, не
принесшей успеха. Дальнейшая работа ло доказательству существования
автономных блоховских колебаний [А32] была сделана автором
самостоятельно. Обнаружение одноэлектронных колебаний [А6-А7] было сделано в соавторстве. Автору принадлежит постановка задачи, разработка технологии, включая топологию образцов, и обработка результатов.
Структура и объем работы.
ГЛАВА 1. Методика исследований.
ГЛАВА 2 . Пространственная корреляция дискретного одноэлектронного
туннелирования (транзисторный эффект).
2.1. Обнаружение пространственной корреляции одкоэлектроккого
туннелирования в парных туннельных переходах на металлических гранулах.
-
Транзисторный эффект в цепочке планарных туннельных переходов.
-
Особенности туннелирования в одиночных туннельных переходах.
2.4. Хромовый одноэлектронный транзистор как возможный новый элемент
одноэлектроники.
ГЛАВА 3. Временная корреляция дискретного одноэлектронного туннелирования (одноэлектронные колебания).
-
Взаимодейстие с внешней электродинамической системой при туннелировании в одиночном туннельном переходе.
-
Обнаружение одноэлектронных колебаний в однородной цепочке туннельных переходов.
3.3. Одноэлектронные колебания в одиночном джозефсоновском переходе с
резисторами.
ГЛАВА 4. Временная корреляция туннелирования куперовских пар (блоховские колебания) в сверхпроводящих туннельных переходах.
4.1. Экспериментальное обнаружение блоховских колебаний.
-
Эксперименты по самоселективиому детектированию блоховских колебаний.
-
Блоховские колебания в транзисторе.
-
Ширина линии блоховских колебаний.
ГЛАВА 5. Эффект четности в сверхпроводящих одноэлектронных транзисторах.
5.1. Нарушение симметрии четного-нечетного числа электронов в
сверхпроводящем острове.
5.2. Наблюдение эффекта четности в сверхпроводящих одноэлектронных
транзисторах с высокоомным внешним импедансом.
5.3. Аномальные зависимости 2е-компоненты модуляционной характеристики от
магнитного поля.
Введение
Кулоновская блокада туннелирования электронов через сверхмалый туннельный переход []] проявляется при низких температурах, квТ«Ес, и малой диссипации, а,, а,« 1 и связана с тем, что электростатическая энергия перехода Q2/1C возрастает при изменении заряда на ± е, если заряд на переходе заключен в диапазоне -е/2
Одноэлектронные колебания [1,2] имеют место в туннельных переходах из нормальных металлов при низкой температуре и при условии а,«а,«1. Их происхождение связано с сильной корреляцией актов туннелирования одиночных электронов через переход. Каждый туннелирующий электрон создает скачок напряжения на переходе А V = е/С, который служит дополнительным барьером для следующих электронов, создавая тем самым корреляцию между отдельными актами туннелирования. Одноэлектронные колебания возникают при сосуществовании дискретного туннелирования электронов через переход и непрерывного переноса заряда источником тока /. Частота таких колебаний связана простым соотношением с величиной тока fsEr~Ve. Такая картина одноэлектронных колебаний справедлива в пренебрежении сильного влияния конечной температуры, диссипации и при малом внешнем токе (/SO. 1 e/R,C). При увеличении влияния этих эффектов происходит разрушение одноэлектронных колебаний.
Блоховские колебания имеют место в сверхпроводящих туннельных переходах с конечной джозефсоновской связью при низкой температуре и малой диссипации [1,3]. Их происхождение связано с существованием периодических энергетических зон Е„ (qj (q - квазиимпульс, п - целое число) в переходе, аналогичных блоховским зонам в твердом теле. Отсюда происходит и их название. Если ток через переход мал, то зинеровским туннелированием в высшие зоны можно пренебречь и движение заряда происходит только по нижней зоне E0(q). В результате, напряжение на переходе периодически меняется со временем по закону V - dEJdq с частотой./^,^ = 1/2е.
Итак, эффекты временной корреляции актов туннелирования (одноэлектронные и блоховские колебания) могут наблюдаться в одиночных туннельных переходах при условии малости температуры и диссипации. Малость диссипации означает, в частности, что импеданс внешней электрической цепи должен быть большим, Izl» Rq в широком диапазоне частот. Это достаточно сложная технологическая задача. Проблема в том, что режим задания тока невозможно обеспечить, имея даже высокоомный резистор в измерительной цепи, так как вся внешняя цепь все равно будет служить для перехода источником напряжения из-за большой емкости подводящих проводов. Практическая реализация эффективного источника тока связана с включением резистивных участков в подводящие электроды в непосредственной близости от переходов. Технология создания
одноэлектронных структур с большим импедансом внешней электрической цепи описана в следующей главе.
Одноэлектронный транзистор представляет собой два последовательно соединенных туннельных перехода малой площади, потенциалом центрального острова которого можно управлять с помощью специального электрода (затвора). При этом суммарная емкость острова транзистора, включающая емкости переходов, затвора и т. д., должна быть малой. Туннельный ток такой системы является периодической функцией заряда, наведенного на центральный островок, с периодом, равным заряду электрона. Зарядовая чувствительность одноэлектронного транзистора составляет доли заряда электрона.
Доклад состоит из введения, пяти глав, заключения и списка работ автора и списка цитированной литературы.
