popularyzatorski opis rezultatów projektu

Nr wniosku: 145176, nr raportu: 7011. Kierownik (z rap.): prof. dr hab. Karol Izydor Wysokiński
Transport kwantowy ładunku, ciepła i spinu w nanostrukturach z kropkami kwantowymi
Pomiary przewodnictwa elektrycznego to podstawowa i najprostsza konceptualnie metoda badania materiałów
przewodzących prąd elektryczny. Przepływ ładunków leży u podstaw całej elektroniki i prawie wszystkich urządzeń
wykorzystywanych w życiu codziennym. Chęć uczynienia urządzeń lżejszymi, wygodniejszymi w użyciu czy
energooszczędnymi wiąże się z ich miniaturyzacją, która zaszła tak daleko, że obecnie pojedynczy układ scalony zawiera
miliony tranzystorów i może wykonywać złożone operacje logiczne.
Granicą miniaturyzacji jest wykorzystanie pojedynczych molekuł lub kropek kwantowych jako elementów roboczych
urządzeń. Kropki kwantowe to małe obiekty czasami nazywane sztucznymi atomami. Może to być niewielki obszar
zdefiniowany elektrostatycznie w gazie elektronowym, mała grudka półprzewodnika lub metalu czy wreszcie molekuła
np. w postaci nanorurki węglowej. Potrafimy do takich obiektów dołączać zewnętrzne elektrody metaliczne,
ferromagnetyczne lub nadprzewodnikowe i przepuszczać przez układ prąd elektryczny. Kwantowe zjawisko tunelowania
odgrywa kluczową rolę przy przewodzenia prądu przez takie struktur. Obiekt centralny (kropka lub molekuła) jest bardzo
mały i ma znikomą pojemność elektryczną C. Oznacza to, że jeśli na kropce znajdzie się choćby pojedynczy elektron o
ładunku e to umieszczenie tam drugiego elektronu wymaga dużej energii, rzędu e2 /C wynikającej stąd, że oba elektrony
silnie się odpychają. Ponieważ elektron tunelujący przenosi ładunek więc przez strukturę płynie prąd elektryczny,
którego pomiary niosą cenne informacje o układzie. W szczególności o strukturze energetycznej kropki, jej sprzężeniu z
elektrodami i o samych elektrodach. Aby uzyskiwane wyniki zinterpretować i informację odczytać konieczne są badania
teoretyczne i analiza zachowań układu w różnych warunkach.
Należy pamiętać, że elektron posiada nie tylko ładunek ale też spin i energię. Jeśli np. elektron ze spinem w górę przejdzie
przez strukturę z lewej do prawej elektrody i jednocześnie elektron o spinie w dół przejdzie w drugą stronę, to w
rezultacie nie przemieszcza się żaden ładunek, a więc prąd elektryczny jest równy zero. Przemieszcza sie jednak spin bo
w lewej elektrodzie jest teraz więcej spinów w dół, a w prawej więcej spinów w górę. Na tym polega badany w projekcie
czysty prąd spinowy. Jeśli dodatkowo temperatury dwu elektrod są nieco różne to elektrony płynące od cieplejszej
elektrody do zimniejszej przenoszą energię. Badanie prądów i współczynników transportowych dostarcza ważnych
informacji o badanym układzie. Pozwala też testować przewidywania teoretyczne w dobrze kontrolowalnych warunkach.
W grancie znaleziono warunki występowania czystych i spinowo spolaryzowanych prądów w dwu różnych modelach:
kropki kwantowej z dwiema elektrodami normalnymi w polu magnetycznym oraz w układzie z kropką i trzema
elektrodami - ferromagnetyczną, normalną i nadprzewodzącą (ewentualnie też w obecności pola magnetycznego).
Zbadano przydatność urządzeń z kropkami kwantowymi jako maszyn cieplnych. Ważnym wynikiem jest wykazanie, że
parametr zwany termoelektrycznym współczynnikiem dobroci ZT (figure of merit) nie zawsze określa przydatność
nanstruktury do wykorzystania w urządzeniach zamieniających energię cieplną na elektryczną. Idea maszyny cieplnej
bazującej na strukturze z kropką kwantową jest prosta. Jeśli pomiędzy elektrodami występuje różnica temperatur to
następuje przepływ ładunku od jednej z elektrod do drugiej. Jeśli obwód jest otwarty to pojawia się różnica potencjałów,
która może wykonać pracę.
Korzystając z prostego modelu cieczy Fermiego, podejścia typu Boltzmanna do obliczania przewodnictwa elektrycznego
oraz wzoru Motta łączącego przewodnictwo z siłą termoelektryczną wyznaczono ogólne warunki konieczne do tego aby
układ charakteryzował się niezerową wartością siły termoelektrycznej. Analiza ta pozostaje słuszna w warunkach
dyfuzyjnego i balistycznego transportu. W tym ostatnim przypadku warunkiem pojawienia się niezerowej termosiły jest
złamanie symetrii cząstka - dziura.
W układach z kropką kwantową pozostającą w kontakcie z elektrodą nadprzewodzącą oraz dwiema elektrodami
normalnymi badano współzawodnictwo pomiędzy lokalnymi i nielokalnymi rozproszeniami Andreeva. Nielokalne
rozproszenia Andreeva polegają na tym, że para Coopera tunelujaca z nadprzewodnika rozdziela się w kropce na dwa
elektrony, z których każdy dalej wędruje do innej elektrody. Elektrony pary Coopera są w stanie splątanym. Pozostają one
w stanie splątanym także wtedy, gdy przetunelują do elektrod. Stany splątane odgrywają kluczową rolę w rozwijającej się
informatyce kwantowej i stanowią warunek konieczny pracy komputerów kwantowych. Nasze badania pokazują, że te
subtelne korelacje kwantowe występują pomiędzy tunelującymi elektronami nawet wtedy, gdy te silnie oddziałują ze sobą
kulombowsko. Występują one (w pewnym zakresie parametrów) nawet wtedy, gdy w układzie pojawia się
wieloelektronowy singletowy stan Kondo.