ترکیبی از نقطه کوانتومی و رابط‌‌های ابررسانا می‌تواند مانند یک گذرگاه الکترون عمل کرده و در هر لحظه از زمان تنها به یک الکترون که در سطح انرژی خاصی است، اجازه‌ی گذر بدهد.

David van Zanen/CNRS

در طرحی تازه برای «گذرگاه» الکترون، نقطه‌ کوانتومی‌ای‌ میان ابررساناها قرار گرفته‌‌ و در هر لحظه از زمان تنها یک الکترون را جابه‌جا می‌کند. برتری این دستگاه در این است که در نقطه، تنها یک سطح انرژی برای گذر الکترون‌ها وجود دارد. این دست‌رسی محدودشده، از «در صف زدن» الکترون‌ها جلوگیری می‌کند و سبب می‌شود که الکترون‌هایی که شارش می‌کنند، تک‌انرژی باشند؛ به همین دلیل، این دستگاه در اندازه‌گیری‌های کوانتومی مانند تعیین آمپراژ مفید خواهد بود.

در یک گذرگاه معمولی، یک یاخته‌ی رسانای کوچک در اتصال رابط‌های ورودی و خروجی قرار داده شده و تونل‌زنی با یک ولتاژ متغیر تناوبی کنترل می‌گردد؛ این ولتاژ که مانند یک گذرگاه عمل می‌کند، الکترون‌ها را وامی‌دارد تا ابتدا به درون فلز تونل زده و سپس بیرون روند. علی‌الاصول، به سبب بار الکتریکی الکترون روی یاخته، در هر لحظه، تنها یک الکترون باید بتواند از آن گذر کند؛ اما در عمل الکترون‌های اضافه نیز به درون می‌خزند.

دیوید ون زانتن (David van Zanten)، از دانشگاه گرنوبل، در فرانسه، و همکاران، در گذرگاه تازه‌ی خود، با پیروی از روشی که به تازگی همه‌گیر شده‌است، یک یاخته فلزی میان دو رابط ابررسانا قرار داده‌اند. در ابررساناها، در توزیع انرژی الکترون‌ها، گاف‌هایی وجود دارند که تونل‌زنی را محدود می‌کنند. از طرفی طیف انرژی در فلز پیوسته است و به همین سبب الکترون‌های ناخواسته نیز می‌توانند وارد شوند. این گروه از پژوهش‌گران، برای جلوگیری از این اثر، یاخته فلزی را تا حد یک نقطه کوانتومی کوچک کردند تا سطوح انرژی گسسته شوند. فواصل میان این سطوح بزرگ بوده و الکترون‌ها تنها می‌توانند سطح پایه‌ی نقطه را اشغال کنند. این گروه نشان داده‌اند که به سبب دسترسی تک‌سطحی، شار تک‌الکترونی‌‌ای (دارای یک میزان انرژی)، با کم‌تر از ۱٪ خطا (وجود الکترون‌های مزاحم)، تولید می‌شود.

منبع:

A single level electron turnstile

مرجع:

Single Quantum Level Electron Turnstile

D. M. T. van Zanten, D. M. Basko, I. M. Khaymovich, J. P. Pekola, H. Courtois, and C. B. Winkelmann

Phys. Rev. Lett. 116, 166801 (2016)

Published April 20, 2016