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 túnel de baja capacitancia . [1] Debido al CB, la conductancia de un dispositivo puede no ser constante a bajos voltajes de polarización, pero desaparecer para sesgos por debajo de un cierto umbral, es decir, no fluye corriente.
El bloqueo de Coulomb se puede observar haciendo 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 otros electrones fluyan. Por lo tanto, el dispositivo ya no seguirá la ley de Ohm y la relación corriente-voltaje del bloqueo de Coulomb parecerá una escalera. [2]
Aunque el bloqueo de Coulomb se puede utilizar 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 mecánicos cuánticos debido a las interacciones de espín y orbitales respectivamente entre los electrones.
Los dispositivos pueden estar compuestos por electrodos metálicos o superconductores . Si los electrodos son superconductores, los pares de Cooper (con una carga de menos dos cargas elementales ) conducen 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 ) conducen la corriente.
La siguiente sección es para el caso de uniones túnel con una barrera aislante entre dos electrodos conductores normales (uniones NIN).
La unión túnel es, en su forma más simple, una delgada barrera aislante entre dos electrodos conductores. De acuerdo con las leyes de la electrodinámica clásica , ninguna corriente puede fluir a través de una barrera aislante. Sin embargo, de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica , existe una probabilidad no nula (mayor que cero) de que un electrón de un lado de la barrera llegue al otro lado (ver efecto túnel cuántico ). Cuando se aplica un voltaje de polarización , esto significa que habrá una corriente y, descuidando los efectos adicionales, la corriente de efecto túnel será proporcional al voltaje de polarización. En términos eléctricos, la unión túnel se comporta como una resistencia con una 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 en el medio no solo tiene una resistencia, sino también una capacidad 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 túnel es una serie de eventos en los que exactamente un electrón pasa ( hace túnel ) a través de la barrera del túnel (ignoramos el co-tunelamiento, en el que dos electrones hacen túnel simultáneamente). El capacitor de la unión túnel se carga con una carga elemental por el electrón que hace túnel, lo que provoca una acumulación de voltaje , donde es 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 túnel. La corriente eléctrica se suprime entonces a voltajes de polarización bajos y la resistencia del dispositivo ya no es constante. El aumento de la resistencia diferencial alrededor de la polarización cero se llama bloqueo de Coulomb.
Para que el bloqueo de Coulomb sea observable, la temperatura debe 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 debe ser inferior a aproximadamente 1 kelvin . Este rango de temperatura se alcanza rutinariamente, por ejemplo, en los refrigeradores de helio-3 . Gracias a puntos cuánticos de tamaño pequeño de solo unos pocos nanómetros, el bloqueo de Coulomb se ha observado incluso por encima de la temperatura del helio líquido, hasta la temperatura ambiente. [4] [5]
Para realizar una unión de túnel en la geometría de un condensador de placas con una capacitancia de 1 femtofaradio, utilizando una capa de óxido de permitividad eléctrica 10 y un espesor de un nanómetro , se deben crear electrodos con dimensiones de aproximadamente 100 por 100 nanómetros. Este rango de dimensiones se alcanza rutinariamente, por ejemplo, mediante litografía de haz de electrones y tecnologías de transferencia de patrones apropiadas , como la técnica de Niemeyer-Dolan , también conocida como técnica de evaporación de sombra . La integración de la fabricación de puntos cuánticos con la tecnología industrial estándar se ha logrado para el silicio. Se ha implementado el proceso CMOS para obtener una producción masiva de transistores de puntos cuánticos de un solo electrón con un tamaño de canal de hasta 20 nm x 20 nm. [6]
El dispositivo más simple en el que se puede observar el efecto del bloqueo de Coulomb es el llamado transistor de un solo electrón . Consta de dos electrodos conocidos como drenador y fuente , conectados a través de uniones túnel a un electrodo común con una baja autocapacitancia , conocido como isla . El potencial eléctrico de la isla se puede sintonizar mediante un tercer electrodo, conocido como compuerta , que está acoplado capacitivamente a la isla.
En el estado de bloqueo, no hay niveles de energía accesibles dentro del rango de tunelización de un electrón (en rojo) [ aclaración necesaria ] en el contacto de la fuente. Todos los niveles de energía en el electrodo de isla con energías más bajas están ocupados.
Cuando se aplica un voltaje positivo al electrodo de compuerta, 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 que estaba vacante previamente. Desde allí, puede hacer un túnel hacia el electrodo de drenaje (3.) donde se dispersa de manera inelástica y alcanza el nivel de 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 termómetro de bloqueo de Coulomb (TCC) típico está formado por una serie de islas metálicas conectadas entre sí a través de una fina capa aislante. Se forma una unión túnel entre las islas y, a medida que se aplica voltaje, los electrones pueden atravesar esta unión mediante un efecto túnel. Las tasas de efecto túnel y, por lo 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 las matrices de uniones de túnel. El parámetro V ½ = 5,439 Nk B T / e , el ancho total en la mitad del mínimo de la caída de conductancia diferencial medida sobre una matriz de uniones N junto con las constantes físicas proporcionan la temperatura absoluta.
El bloqueo iónico de Coulomb [8] (ICB) es un caso especial de CB, que aparece en el transporte electrodifusivo de iones cargados a través de nanoporos artificiales subnanométricos [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 una valencia z posiblemente diferente de los portadores de carga (iones permeables vs electrones) y por el origen diferente del motor de transporte (electrodiffusión clásica vs tunelización cuántica).
En el caso de ICB, la brecha de Coulomb se define por la autoenergía dieléctrica del ion entrante dentro del poro/canal y, por lo tanto, depende de la valencia del ion z . El ICB parece fuerte , incluso a temperatura ambiente, para iones con , por ejemplo, para iones.
Recientemente se ha observado experimentalmente ICB en poros subnanómetros . [9]
En los canales iónicos biológicos, el ICB se manifiesta típicamente en fenómenos de selectividad de valencia como bandas de conducción (frente a una carga fija ) y bloqueo divalente dependiente de la concentración de la corriente de sodio. [10] [11]
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