Электронные насосы – устройства, которые могут перемещать определенное количество электронов в течение каждого насосного цикла. Для физиков этот объект исследования интересен не только с точки зрения фундаментальной науки. Одноэлектронный насос имеет шанс найти практическое применение в метрологии, действуя как точный частотно-токовый конвертер.

Главная цель этой области исследований состоит в том, чтобы создать текущий стандарт, основанный на электрическом заряде отдельного электрона, для достижения высокой точности текущего измерения. Устройство, названное одноэлектронным транзистором, может манипулировать электрическими зарядами, вплоть до одного электрона и, следовательно, он применим для создания квантованного тока (тока, который состоит только из одного или нескольких электронов).

Экспериментально, эта концепция, главным образом, была проверена на устройствах, сделанных из 3–5 полупроводниковых гетероструктур или металлических наночастиц. В принципе, чем меньше устройство, тем, лучше оно работает. Однако, размер устройств, сделанных как из полупроводниковых гетероструктур, так и из металлических частиц ограничен текущими возможностями технологий литографии.

Большинство конструкций одноэлектронных насосов использует очень маленькую область, слабо соединенную с электронным бассейном, обычно именуемым в металлических системах как остров. Остров является достаточно маленьким, что дополнение или удаление отдельного электрона делают заметное энергетическое различие. Исследователи предложили изменить эту структуру, заменяя нормально-металлический остров отдельной однослойной углеродной нанотрубкой (ОУН), которая уже обладает наномасштабом с диаметром приблизительно 1 нм.

Попытки создания квантового электрического тока в ОУН были сделаны неоднократно за последние несколько лет с использованием различных методов, но не были столь успешными в получении высокой степени квантования тока, особенно при попытке произвести ток больше чем с одним электроном.

Рис. 1. Схема устройства. Однослойная углеродная нанотрубка подключена в цепь посредством сверхпроводящих Ti/Nb контактов (картинка: Dr. Viktor Siegle, Max Planck Institute for Solid State Research).

Команда исследователей из Германии теперь продемонстрировала возможность создания квантованного электрического тока с использованием отдельной молекулы и ОУН.

С использованием концепции сверхпроводящих электродов и естественной углеродной нанотрубки, мы продемонстрировали, что высокая степень токового квантования в ОУН, даже в случае многочастичного тока – тока из 4 электронов – являются возможной, " – сказал Чен-Ви Лианг (Chen-Wei Liang), исследователь-постдокторант из Университета штата Иллинойс из округа Urbana.

Лианг объясняет, что группа исследователей, состоящая из ученых отделения физики твердого тела института Макса Планка в Штутгарте (Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart), Физическо-технического федерального учреждения в Брауншвейге (Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig) и Центра Коллективных Квантовых Явлений Университета Тюбингена (Collective Quantum Phenomena, University Tübingen), была вдохновлены теоретической работой Джака Пикола (Jukka Pekola) и Дмитрия Аверина («Неадиабатическая зарядовая закачка в гибридном одноэлектронном транзисторе»), которая продемонстрировала концепцию использования одноэлектронного транзистора с сверхпроводящими электродами, для достижения токового квантования.

О результатах исследований команды было доложено в онлайн-релизе журнала NanoLetters от 31 августа 2010 («Молекулярный квантованный зарядовый насос»), где первыми авторами были Виктор Сигл (Viktor Siegle) и Лианг. Здесь исследователи продемонстрировали устройство одноэлектронного насоса, которое состоит из ОУН с двумя контактами из ниобия (подобные устройства, использующие металлические наночастицы предварительно демонстрировались Pekola и его командой в 2008 году).

В то время как было известно, что малость природных объектов, подобных одиночным молекулам или углеродным нанотрубкам может быть использована для создания квантованного тока, об успешных экспериментах, демонстрирующих, практическую реализацию перекачки многих электронов с высокой точностью не сообщили предварительно…« – говорит Лианг. "Наша работа подтверждает такую возможность экспериментально…»

Недостаток устройств, демонстрируемых командой состоит в том, что они серьезно страдают от шумов, которые могли бы быть вызваны дефектами в углеродной нанотрубке, несовершенством контактов “сверхпроводник – углеродная нанотрубка” или окружающей средой.

Команда уверенна, что с использованием нескольких методов они смогут улучшить работу устройства, например, уменьшая дефекты углеродных нанотрубок, или охватывая нанотрубки слоем защитного изолятора.

Лианг указывает, что, в дополнение к созданию квантованного электрического тока, эта техника могла быть применена к изучению других фундаментальных физических явлений.

Например«, – он говорит, – "показано, что углеродные нанотрубки могут транспортировать электронный спин и куперовские пары на большое расстояние (на масштабах микрометра). Используя нашу технику, можно легко проектировать другие инновационные устройства, в частности, для создания тока “отдельного электронного спина” или “отдельной куперовской пары”. Если это было бы возможно, то можно было изучить их динамику в наноэлектронике, потому что эти устройства упорядочивают частицы (заряд, спин, куперовские пары), путешествующие через нанотрубку».

Эта технология разделяет тот же самый вызов, с которым сталкивается вся молекулярная электроника: как получать контроль над отдельными молекулами, и в широком масштабе изготовлять устройства с высокими восстанавливаемыми свойствами. В то время как управляемость углеродными нанотрубками была в значительной степени улучшена, эта технология еще сильно отстает от технологий с обычными полупроводниковыми устройствами.

Статья переведена и отредактирована Филипповым Ю.П. по материалам: