低维和纳米材料中的量子输运研究未来电子学的物理基础.pdf

吕力 物理所 我们正在研究的低维和纳米材料系统 碳纳米管二维电子气 石墨约瑟夫逊结量子计算 一些物理问题和概念 扩散与弹道输运量子相干输运 库仑阻塞非费米液体行为 数字信息技术 存储 处理 传递 面临的挑战 运算更快 体积更小 容量更大 数字信息载体 机械 电 磁 光 数字信息载体 机械 电 磁 光 面临的挑战 运算更快 体积更小 容量更大 低维和纳米材料 样品尺寸与物理现象 from K Kang from K Kang 电子输运的类型 扩散 vs 弹道 扩散输运 准弹道输运 弹道输运 C W J Beenakker and H van Houten SSC 91 电子输运的类型 相干与非相干 非弹性散射 退相干 弹性散射 保持相位 相干性 hv 费米波长与样品维度 from K Kang 准二维 准一维 零维 kx kx ky E E E ky 不同维 度下的 物理现 象 from McEuan 目前微电子学的物理基础 问题和出路 物理基础 电子的扩散输运 受声子 杂质和缺陷的散射 问题 摩尔定律的物理极限 发热 新的物理效应的出现 库仑阻塞 量子限域效应 量子相干 量子纠缠 出路 要有概念上的突破 寻找新体系 运用新现象 器件功能物理性能 电信号运算 放大 磁信号存储 读取 其它奇异功能器件 气敏传感器 光电器件 场效应 PN结 自旋阀效应 库仑阻塞 量子限域效应 量子相干 纠缠 Andreev反射 Kondo Fano共振 Luttinger 液体 电荷 相干输运 电荷 非相干输运 自旋 相干输运 自旋 非相干输运 电子 电荷e 自旋 目前的信息技术其实只是用到了 电荷和自旋的非相干输运部分 低维纳米材料 微纳加工技术 量子器件 下一代的计算机 新的信息革命 量子器件是目前国际上的前沿研究领域 在人们探索下一代的计算 机时 纳米电子学 量子 计算等新概念应运而生 在相应的器件中可能会伴 随着各种量子相干输运 电子强关联 和量子相变 问题 对于这些体系中量子现象对于这些体系中量子现象 的研究将有可能成为新的的研究将有可能成为新的 世纪中科学创新和造福人世纪中科学创新和造福人 类的主要源泉之一 类的主要源泉之一 对于固态量子器件物性的研究 需要一个非常干净的 没有热 扰动的环境 因而目前属于低 温物理学标准的研究领域 为什么我们研究低维材料中 电子的输运问题 研究价值 不仅隐含巨大的应用价值 更包含一些非常 基本 深刻的物理问题 物理所具有相应的研究条件 高品质材料制备 微纳加工条件 极低温条件 微弱信号测量 Electron band structure of graphite E N E ZoneZone folding picture for carbon nanotubefolding picture for carbon nanotube Metallic tubes Semiconducting tubes Metallic tube Semiconducting tubes Wildoer et al 1998 Weakly interactive electrons Conventional Fermi Liquid Highly correlated electrons Non Fermi Liquid Electron Strong Correlation Effects for low laying excitations 1D metal Long Range Coulomb Interaction Luttinger liquid Violation of quasiparticle picture Compression of SP DOS Spin Charge separation Power law transport EF E Fermi LiquidLuttinger Liquid e Zero Bias Anomaly dI dV AT cosh eV kT 1 2 i eV 2 kT 2 Single Wall Carbon Nanotube Luttinger Liquid Bockrath et al Nature 99 碳纳米管的研究和应用价值 理化特性理化特性 无悬挂键 化学性能稳定 无悬挂键 化学性能稳定 机械强度高 重量轻 机械强度高 重量轻 热导好热导好 电学性能 丰富多样 电学性能 丰富多样 应用价值应用价值 纳米力学 机械 建筑 模板纳米力学 机械 建筑 模板 纳米化学 试管 催化纳米化学 试管 催化 纳米电子学 导线 器件纳米电子学 导线 器件 其它 储氢材料 场发射平板 显示器 其它 储氢材料 场发射平板 显示器 研究价值研究价值 低维物性研究的理想对象 单电子效应单电子效应 电子 电子关联电子 电子关联 量子输运量子输运 量子相干量子相干 碳纳米管单电子器件 基本单元 单分子器件 量子点效应 Vg E NN 1 N 2N 1 Vg G NN 1 N 2N 1 库仑充电能 电导库仑振荡 库仑阻塞 单电子充电能与电导的关系 U Q2 C Vg Vb P McEuan Group 量子限域导致的能级分裂 E h vF L Room Temperature Single Electron Devices S J Tan et al Nature 1997 Fabry Perot interference W Liang Nature 2001 Quantum Transport 多个碳纳米管器件的集成 Digital logic with carbon nanotube transistors C Dekker s Group Delft IBM s Inter Molecular Logic Circuit The world s first single molecule computer circuit 问题及出路 碳纳米管结 器件 PN 结 H Postma Science 2001 Carbon Nanotube Single Electron Transistors at Room Temperature T junction Y junction T type structure Menon 0 as 0 2 e h RTR xyxx Willett et al 87 Composite Fermions 复合费米子图象的实验研究 隧道实验 2DEG2DEG 2DEG Vg Cleave Edge type 条纹相 Junsaku Nitta PRL 1997 Rashba 自旋轨道相互作用 III V族半导体界面z 方向非对称量子阱中 束缚的2DEG 结构反演对称破缺 自旋轨道相互作用是 一种相对论效应 耦合强度 可以用门电压调节 系数b与能隙和有效质量成反比 R 2kf b Rashba 自旋轨道相互作用 J Sinova et al PRL 04 自旋霍尔效应 研究目标 1 自旋流的产生 2 在固体样品中的弛豫和调控 3 自旋流效应的检测 Comparison of Various Qubits 10 12 10 9 10 7 10 7 10 9 10 6 10 2 10 12 Gate time s 10 5Photons 10 6 10 4Josephson qubits charge flux phase 10 3Electron spins 10 6Quantum dots exciton 10 2 108NMR 10 1Ions neutral atoms Scalability High fidelity readout Decoherence Time s worse better Josephson结量子计算 Superconducting Qubits According to the primary quantum degree of freedom Charge Flux Phase Charge Flux Hybrid Single Josephson Vortex 2 2 cos cgJ HE NC UeE 2 2 0 2 cos 2 ex cJ HE NE L 2 0 cos 2 2 Jb Q HEI t C Han et al Sciencs 296 Berkley et al Science 300 2003 Martinis et al Science 307 2005 Tsai Nakamura NEC Wallraff Yale Nature 431 2004 SBU Lukens Delft MIT Mooij KU Han Siyuan Vion Quantronis Saclay France Science 296 2002 Wallraff et al Erlangen Numberg Germany Nature 425 155 2003 Josephson qubits Esteve Vion copnd mat 0505676 N ih Vg E NN 2 N 4N 2 库仑充电能 Single Cooper pair box 量子二能级系统 Nakamura et al Nature 398 786 1999 Single Cooper pair box as qubit for quantum computing Electrostatic energies of two charge states Wallraf