محققان ایرانی پیروز به کنترل اثر کشش کولونی در مدار های نانوالکترونیک شدند - بازی های فکری

به گزارش گروه فناوری خبرنگاران، فرض کنید دو رسانا داشته باشیم که نزدیک یکدیگر هستند، اما هیچ اتصالی بین آن ها برقرار نباشد. با آزمایش های دقیق مشاهده شده که اگر یک جریان الکتریکی از یکی از این رسانا ها عبور کند، در رسانای مجاور آن یک اختلاف پتانسیل و یا یک جریان الکتریکی ضعیف برقرار می شود. به این اثر، کشش کولُمبی (Coulomb Drag Effect) گفته می شود. درواقع، علت اصلی این اثر، برهمکنش کولُمبی بین الکترون های این دو رسانای نزدیک یکدیگر است.

اثر کشش کولمبی بین نقطه های کوانتومی، با توجه به استفاده فراوان از آن ها در نانوالکترونیک، از اهمیت بسزایی برخوردار است. در سال 2016، این اثر در سیستمی شامل دونقطه کوانتومی که به چهار الکترود فلزی متصل شده بود، مشاهده شد. اما در راستا دستیابی به شرایط لازم برای مشاهده این اثر، مسائل مختلفی از جمله چگونگی مهندسی و ساخت بهینه این ساختار ها برای کنترل اثر کشش کولمبی کماکان مورد بحث و بررسی قرار داشت.

به طور نظری نشان داده شده است که برای مشاهده اثر کشش کولُمبی در این ساختار ها لازم است دو شرط برقرار باشد. اول اینکه احتمال تونل زنی الکترون ها بین نقطه کوانتومی و الکترود های متصل به آن، وابسته به تعداد الکترون موجود روی نقطه کوانتومی باشد و شرط دیگر اینکه چگالی حالت های کوانتومی الکترود های متصل به نقطه های کوانتومی هم بایستی وابسته به انرژی و با یکدیگر متفاوت باشند. این شرط آخر، مشاهده این اثر در نقطه های کوانتومی را به مساله ای سخت تبدیل کرده بود چرا که مهندسی و تغییر چگالی حالت الکترود های متصل به نقطه های کوانتومی در آزمایشگاه به سادگی ممکن نیست.

اما اخیرا، یک محقق فیزیک ماده چگال کشورمان با همکاری گروهی از محققان اسپانیایی، روشی را برای تقویت این اثر و کنترل کامل آن در مدار های شامل نقطه های کوانتومی پیشنهاد کرده است. این کار تحقیقاتی توسط سید مجتبی طباطبائی، فارغ التحصیل دکتری دانشگاه شهید بهشتی و پژوهشگر پسادکتری دانشگاه صنعتی شریف اجرا شده است.

ایده مطرح شده در این تحقیق بر این اصل ساده پایدار است که چنانچه یکی از الکترود های متصل به یکی از نقطه های کوانتومی، یک ابررسانا باشد، به طور اتوماتیک تمامی شرط های لازم برای برقراری اثر کشش کولمبی در این سیستم برقرار خواهد شد: از یک سو، برهم کنش دوربرد کولُمبی بین دو نقطه کوانتومی باعث ایجاد ناهمگونی وابسته به پرشدگی نقطه کوانتومی در احتمال تونل زنی الکترون از نقطه کوانتومی به الکترود های اطرافش می شود و از سویی دیگر، وجود یک گاف انرژی معین در چگالی حالت های الکترونی ابررسانا باعث ایجاد اختلاف بین چگالی حالت های دو الکترود متصل بین یکی از نقطه های کوانتومی می شود.

برای بررسی جامع این اثر، طباطبائی و همکارانشان از یک روش بسیار دقیق نظری استفاده کرده اند که به آن ها این اجازه را داده است تا بتوانند یک تصویر کامل از رفتار خطی و غیرخطی اثر کشش کولُمبی در این گونه سیستم ها برای دما های مختلف و همچنین اتصال های ضعیف تا قوی ارائه دهند.

نتایج این تحقیق در مجله بسیار معتبر Physical Review Letters که از جمله نشریات گروه ب معرفی شده توسط فدراسیون سرآمدان علمی کشور است، به چاپ رسیده است. برای مشاهده جزئیات بیشتر، لینک مقاله را کلیک کنید.