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kxkxkyEEEky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 graphiteEN(E)ZoneZone-folding picture for carbon nanotubefolding picture for carbon nanotubeMetallic tubesSemiconductingtubesMetallic tubeSemiconductingtubesWildoer,et al.1998Weakly interactive electrons:Conventional Fermi LiquidHighly correlated electrons:Non-Fermi LiquidElectron Strong Correlation Effectsfor low-laying excitations1D metalLong Range Coulomb InteractionLuttinger liquidViolation of quasiparticlepictureCompression of SP DOSSpin-Charge separationPower-law transportEFEFermi LiquidLuttinger LiquideZero-Bias AnomalydI/dV=AT cosh(eV/kT)(1+)/2+i eV/2 kT2Single Wall Carbon Nanotube:Luttinger LiquidBockrath 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VgENN+1 N+2N-1VgGNN+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/CVgVbP.McEuan Group量子限域导致的能级分裂E=h vF/LRoom TemperatureSingle Electron DevicesS.J.Tan,et al.,Nature 1997Fabry-Perot interferenceW.Liang,Nature 2001Quantum Transport多个碳纳米管器件的集成Digital logic with carbon nanotube transistorsC.Dekkers Group,DelftIBMs Inter-Molecular Logic CircuitThe worlds first single-molecule computer circuit问题及出路碳纳米管结、器件PN 结H.Postma,Science 2001Carbon NanotubeSingle-Electron Transistors at Room TemperatureT-junctionY-junctionT-type structure,Menon&Srvastava,1997A.N.Andriotis et al.,APL01Crossed Carbon NanotubesM.Fuhrer,et al.,Science 00单根单层碳纳米管的合成、器件制备、物性研究碳纳米管三端器件PRB 71,155424(2005)10nm Ti/50nm Au contactSchematic band diagram of the Schottky Barriers正常金属、超导、铁磁电极二端器件金属金属铁磁碳纳米管铁磁超导超导磁性隧道结磁信号读取FMFMFMCNTFM器件自旋阀效应GMR磁头4电阻变化T=4.2 KMR：8%30%Bin Zhao et al.磁极化电流的注入与非费米液体行为 dramatic suppression of spin accumulation:a direct signature of spin-charge separation.nonequilibrium oscillations in the current-voltage relation.Spintronics+nano:Spin injection into Luttinger LiquidBalents and Egger PRL 00spin-charge separation?Aharonov-Bohm(AB)振荡Altshular-Aronov-Spivak(AAS)振荡Altshular-Aronov-Spivak(AAS)振荡BAharonov-Bohm(AB)振荡BRBRBAAS Effect observed on MWNTs byC.Schonenberger,et al.,Appl.Phys,A 1999AltshularAltshular-AronovAronov-SpivakSpivak(AAS)Effect(AAS)Effect024680.400.450.50T=17 mK R(M)H(T)AltshularAltshular-AronovAronov-SpivakSpivak(AAS)Effect(AAS)EffectLongitudinal MRLongitudinal MRHIL=60 nmL=1 nm=4.4器件的物理现象和机理 Spin-Charge Separation Coulomb Blockade Kondo Resonance Fano Resonance Andreev Reflection Quantum Entanglement 可能涉及到的物理问题：电荷、自旋自由度的分离；Cooper对拆对后两个电子形成的量子纠缠态；碳纳米管与金属或超导电极三端器件中载流子的玻色子型或费米子型关联行为；有限尺寸效应以及低偏压下的Andreev隧道电流的抑制引起的电导反常；碳纳米管与不同材料的电极之间的Kondo效应抑制或其它可能出现的变化情况。我组碳纳米管方面以往工作基础我组碳纳米管方面以往工作基础多层碳纳米管方面（与解思深院士合作）：力学性质APL99 热学性质PRB99 磁阻效应PRB02 热电势PRB03 隧道效应PRL03 高温电导SSC04 压力效应单层碳纳米管方面：二端、三端器件Youngs ModulusTensile StrengthAppl.Phys.Lett.(1999)Youngs modulus:0.45 0.23 TPa Tensile strength:1.72 0.64 GPaThermal ConductivitySpecific HeatPhys.Rev.B(1999)3 Method for and CpMeasurementsL.Lu,et al.,Rev.Sci.Instrum.t 1 3V I*RT I 2 2R T 2I=I0sint 10100200300050100150Specific Heat of Pt Wire(20 m diameter)exp.data standard data Cp(J/kg/K)T(K)01002003000.01.02.03.04.05.0b a2 (10-5 m2s-1)T (K)01002003000200400600c Cp (J kg-1K-1)T (K)01002003000.01.02.03.04.0d R (k)T (K)01002003000510152025a (W m-1K-1)T (K)0100 200 30001graphiteMWNTs Cp/Cp(300K)0100200 300110-dR/dT (/K)T2T 2D Phonon Occupation in k-space Phonon dispersion relation:k2 i=Cp l V T Cp l V T2A logarithmic law at low temperaturesPhys.Rev.B(2003)Previous work:TEP of SWNTs by J.Hone et al.,PRL TEP of MWNTs by M.L.Tian,APL TEP of a single MWNT by P.Kim,PRL doping dependence J.Hone et al.一种调幅加热的热电势测量法一种调幅加热的热电势测量法T0T0T加热热电偶测温差样品热电势样品灵敏度：灵敏度：20 nV/KS=V/T0501001502002503000510152025303540 S(V/K)T(K)0102030012345 S(V/K)T(K)Fermi Liquid or Luttinger Liquid1100.00.10.2 S/T(V/K2)T(K)TonsetS/T=log(T/T0),orS/T=a-b log(Tonset/T),FL&LL T0对数律的可能解释：)/1ln()231(10TFESSF=?1.二维无序电子体系的弱局域化效应，把电子电子相互作用当作微扰处理。C.S.Ting,et al.,Phy.Rev.B 25,1539(1982)2.关于MWNT中库仑阻塞效应和库仑能隙的非微扰理论。R.Egger,et al.,PRL 87,66401(2001).E.G.Mishchenko,et al.,PRL 87,246801(2001).没有特定的能量尺度Summary:Possible role of Coulomb blockade:Length reduction+-effective length that contributes to TEPT+TTCoulomb BlockadeFano ResonancePhys.Rev.Lett.(2003)Three regimes of tunnelingIncreasing Coupling正常金属正常金属Coulomb blockade Kondo resonance(Ng&Lee)Fano resonanceEffect of electromagnetic environment on the Coulomb blockade in ultrasmall tunnel junctionsM.H.Devoret,et al.,PRL 64,1824(90)CB in dual tunneling junctionsEc=e2/2CCB in single tunneling junctionsEc=e2/2C(C is defined by r=hVF/Max(eV,kBT)Role of Environmental Quantum Fluctuation(EQF)正常金属正常金属正常金属正常金属Theory of EQFCoulomb gapScaling Law=0.27Theory of EQF当eV/2kBT 1时，G(V,T)VFano ResonanceSample 1Sample 2Evolution of Fano line shape in magnetic field 多层碳纳米管正常金属之间的隧道行为可以用环境量子涨落理论来描述。在极低温下观察到了Fano共振的隧道谱。PRL 91,076801(2003)小结（隧道效应）A Quantum Critical Point?unpublished 为什么研究自旋流？比电荷长得多的退相干时间和退相干长度；自旋输运的能量损耗可以非常小，适合用来传递和处理信息。为什么用二维电子气？干净的模型体系；很好的样品制备和微加工条件。二维电子气中发现的物理问题?整数量子霍尔效应?分数量子霍尔效应，复合费米子图象?金属-绝缘体相变?微波辐照下的零电阻现象?条纹相?At integer and fractional filling factor:The Quantum Hall Effectsplateau quantized 1 ;0 as 0 2ehRTRxyxx=Willett et al(87)Composite Fermions复合费米子图象的实验研究隧道实验2DEG2DEG2DEGVgCleave Edge type条纹相Junsaku Nitta，PRL1997Rashba 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=bRashba 自旋轨道相互作用J.Sinova,et al.PRL04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 Qubits10-1210-9-10-710-710-910-6-10-210-12Gate time(s)10-5Photons10-6-10-4Josephson qubits(charge,flux,phase)10-3Electron spins 10-6Quantum dots(exciton)10-2-108NMR10-1Ions,neutral atomsScalabilityHigh fidelity readoutDecoherenceTime(s)worse betterJosephson结量子计算Superconducting QubitsAccording to the primary quantum degree of freedom Charge Flux Phase Charge-Flux Hybrid Single Josephson Vortex2(/2)coscgJHE NC UeE=220()2cos2excJHE NEL=+20cos(2/)()2JbQHEI tC=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,LukensDelft-MIT,MooijKU,Han SiyuanVion,Quantronis,Saclay,France Science 296,(2002)Wallraff,et al.,Erlangen-NumbergGermany,Nature 425,155,2003Josephson qubitsEsteve&Vion,copnd-mat/0505676N ihVgENN+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 computingElectrostatic energies of two charge statesWallraff et al.,Yale,Nature 431,(2004)Superconducting Qubit in QEDC.C.G.P.Cooper BoxSiJJNb未来电子学的关键问题：设计 新现象、新机理、新功能？如何集成？材料、载体、加工工艺 测量研究欢迎有兴趣的同学加盟！电话：8264 9151Email：网页：http:/159.226.37.59/Groups/EX3/index.htm