En física mesoscópica , un bloqueo de Coulomb ( CB ), llamado así por la fuerza eléctrica de Charles-Augustin de Coulomb , es la disminución de la conductancia eléctrica a pequeños voltajes de polarización de un pequeño dispositivo electrónico que comprende al menos una unión de túnel de baja capacitancia . [1] Debido al CB, la conductancia de un dispositivo puede no ser constante a voltajes de polarización bajos, pero desaparecer para polarizaciones por debajo de un cierto umbral, es decir, no fluye corriente.
El bloqueo de Coulomb se puede observar fabricando un dispositivo muy pequeño, como un punto cuántico . Cuando el dispositivo es lo suficientemente pequeño, los electrones dentro del dispositivo crearán una fuerte repulsión de Coulomb que impedirá que fluyan otros electrones. Por lo tanto, el dispositivo ya no seguirá la ley de Ohm y la relación corriente-voltaje del bloqueo de Coulomb parece una escalera. [2]
Aunque el bloqueo de Coulomb puede utilizarse para demostrar la cuantificación de la carga eléctrica , sigue siendo un efecto clásico y su descripción principal no requiere mecánica cuántica . Sin embargo, cuando hay pocos electrones involucrados y se aplica un campo magnético estático externo, el bloqueo de Coulomb proporciona la base para un bloqueo de espín (como el bloqueo de espín de Pauli) y un bloqueo de valle , [3] que incluyen efectos de la mecánica cuántica debido a las interacciones de espín y orbitales , respectivamente. entre los electrones.
Los dispositivos pueden comprender electrodos metálicos o superconductores . Si los electrodos son superconductores, los pares de Cooper (con una carga de menos dos cargas elementales ) transportan la corriente. En el caso de que los electrodos sean metálicos o conductores normales , es decir, ni superconductores ni semiconductores , los electrones (con una carga de ) transportan la corriente.
La siguiente sección es para el caso de uniones de túnel con una barrera aislante entre dos electrodos conductores normales (uniones NIN).
La unión de túnel es, en su forma más simple, una delgada barrera aislante entre dos electrodos conductores. Según las leyes de la electrodinámica clásica , ninguna corriente puede atravesar una barrera aislante. Sin embargo, según las leyes de la mecánica cuántica , existe una probabilidad constante (mayor que cero) de que un electrón en un lado de la barrera llegue al otro lado (ver túnel cuántico ). Cuando se aplica un voltaje de polarización , esto significa que habrá una corriente y, sin tener en cuenta los efectos adicionales, la corriente de túnel será proporcional al voltaje de polarización. En términos eléctricos, la unión túnel se comporta como una resistencia de resistencia constante, también conocida como resistencia óhmica . La resistencia depende exponencialmente del espesor de la barrera. Normalmente, el espesor de la barrera es del orden de uno a varios nanómetros .
Una disposición de dos conductores con una capa aislante entre ellos no sólo tiene una resistencia, sino también una capacitancia finita . El aislante también se denomina dieléctrico en este contexto, la unión túnel se comporta como un condensador .
Debido a la discreción de la carga eléctrica, la corriente a través de una unión de túnel es una serie de eventos en los que exactamente un electrón pasa ( túneles ) a través de la barrera del túnel (despreciamos los cotúneles, en los que dos electrones hacen túneles simultáneamente). El condensador de unión de túnel se carga con una carga elemental mediante el electrón de túnel, lo que provoca un aumento de voltaje , donde está la capacitancia de la unión. Si la capacitancia es muy pequeña, la acumulación de voltaje puede ser lo suficientemente grande como para evitar que otro electrón haga un túnel. Luego, la corriente eléctrica se suprime con voltajes de polarización bajos y la resistencia del dispositivo ya no es constante. El aumento de la resistencia diferencial alrededor del sesgo cero se denomina bloqueo de Coulomb.
Para que el bloqueo de Coulomb sea observable, la temperatura tiene que ser lo suficientemente baja como para que la energía de carga característica (la energía que se requiere para cargar la unión con una carga elemental) sea mayor que la energía térmica de los portadores de carga. En el pasado, para capacitancias superiores a 1 femtofaradio (10 −15 faradio ), esto implicaba que la temperatura tenía que estar por debajo de aproximadamente 1 kelvin . Este rango de temperatura lo alcanzan habitualmente, por ejemplo, los frigoríficos de helio-3 . Gracias a puntos cuánticos de pequeño tamaño, de sólo unos pocos nanómetros, el bloqueo de Coulomb se ha observado inmediatamente por encima de la temperatura del helio líquido, hasta la temperatura ambiente. [4] [5]
Para realizar una unión de túnel en geometría de condensador de placas con una capacitancia de 1 femtofaradio, utilizando una capa de óxido de permitividad eléctrica 10 y espesor de un nanómetro , es necesario crear electrodos con dimensiones de aproximadamente 100 por 100 nanómetros. Este rango de dimensiones se alcanza habitualmente, por ejemplo, mediante litografía por haz de electrones y tecnologías apropiadas de transferencia de patrones , como la técnica de Niemeyer-Dolan , también conocida como técnica de evaporación de sombras . Se ha logrado la integración de la fabricación de puntos cuánticos con la tecnología industrial estándar para el silicio. Se ha implementado el proceso CMOS para obtener una producción masiva de transistores de punto cuántico de un solo electrón con un tamaño de canal de hasta 20 nm x 20 nm. [6]
El dispositivo más sencillo en el que se puede observar el efecto del bloqueo de Coulomb es el llamado transistor monoelectrónico . Consta de dos electrodos conocidos como drenaje y fuente , conectados a través de uniones de túnel a un electrodo común con baja autocapacitancia , conocido como isla . El potencial eléctrico de la isla se puede sintonizar mediante un tercer electrodo, conocido como puerta , que está acoplado capacitivamente a la isla.
En el estado de bloqueo, no hay niveles de energía accesibles dentro del rango de túnel de un electrón (en rojo) [ se necesita aclaración ] en el contacto de la fuente. Todos los niveles de energía del electrodo de isla con energías más bajas están ocupados.
Cuando se aplica un voltaje positivo al electrodo de puerta, los niveles de energía del electrodo de isla disminuyen. El electrón (verde 1.) puede hacer un túnel hacia la isla (2.), ocupando un nivel de energía previamente vacante. Desde allí puede hacer un túnel hasta el electrodo de drenaje (3.), donde se dispersa de manera inelástica y alcanza el nivel Fermi del electrodo de drenaje (4.).
Los niveles de energía del electrodo de la isla están espaciados uniformemente con una separación de Esto da lugar a una autocapacitancia de la isla, definida como
Para lograr el bloqueo de Coulomb se deben cumplir tres criterios:
Un típico termómetro de bloqueo de Coulomb (CBT) está fabricado a partir de una serie de islas metálicas, conectadas entre sí a través de una fina capa aislante. Se forma una unión de túnel entre las islas y, a medida que se aplica voltaje, los electrones pueden atravesar esta unión. Las tasas de tunelización y, por tanto, la conductancia varían según la energía de carga de las islas, así como la energía térmica del sistema.
El termómetro de bloqueo de Coulomb es un termómetro primario basado en las características de conductancia eléctrica de los conjuntos de uniones de túneles. El parámetro V ½ = 5,439 Nk B T / e , el ancho total a la mitad del mínimo de la inmersión de conductancia diferencial medida sobre una serie de N uniones junto con las constantes físicas proporcionan la temperatura absoluta.
El bloqueo iónico de Coulomb [8] (ICB) es el caso especial de CB, que aparece en el transporte electrodifusivo de iones cargados a través de nanoporos artificiales subnanómetros [9] o canales iónicos biológicos. [10] El ICB es muy similar a su contraparte electrónica en puntos cuánticos, [1] pero presenta algunas características específicas definidas por valencia z posiblemente diferente de los portadores de carga (iones permeables versus electrones) y por el origen diferente del motor de transporte (electrodifusión clásica versus electrones). túneles cuánticos).
En el caso de ICB, la brecha de Coulomb se define por la autoenergía dieléctrica del ion entrante dentro del poro/canal.
Recientemente se ha observado experimentalmente ICB en poros subnanométricos . [9]
En los canales iónicos biológicos, el ICB normalmente se manifiesta en fenómenos de selectividad de valencia como bandas de conducción (frente a carga fija ) y bloqueo divalente de la corriente de sodio dependiente de la concentración. [10] [11]
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