Coulombin saarto

Coulombin saarto on pieniin johdesaarekkeisiin muodostuva, elektronien välisestä vuorovaikutuksesta johtuva ilmiö, joka voidaan havaita saarekkeen konduktanssissa varautumisenergiaa pienemmissä lämpötiloissa. Coulombin saarrolla tarkoitetaan kohonnutta resistanssia pienillä bias-jännitteillä elektronisessa laitteessa, jossa on ainakin yksi matalan kapasitanssin tunneliliitos. Yhden elektronin transistori (single electron transistor, SET) perustuu Coulombin saartoon. SETin yhteydessä Coulombin saarrolla tarkoitetaan efektiä, jossa elektroni ei pääse "saarelle" eikä laitteessa kulje virtaa kun hila- ja bias-jännite ovat alhaisia. Kun lähteen ja nielun välistä bias-jännitettä kasvatetaan elektroni voi kulkea "saaren" kautta systeemin energian saavuttaessa Coulombin energian.

Taustaa

Kondensaattorin varaamiseen varauksella $q$ kuluva energia on

$E_{q}={\frac {q^{2}}{2C}},$

missä $C$ on kondensaattorin kapasitanssi. Energiaa voidaan arvioida käyttämällä hyväksi levykondensaattorin kapasitanssin kaavaa

$C=\epsilon {\frac {A}{d}},$

missä $\epsilon$ on väliaineen permittiivisyys, $A$ on levyjen pinta-ala ja $d$ niiden etäisyys. Elektronisuihkulitografialla muodostetuissa liitoksissa kapasitanssi voi olla luokkaa 1 femtofaradi. Tällä kapasitanssilla kondensaattorin varaamiseen yhdellä elektronilla kuluu varautumisenergia

$E_{C}={\frac {e^{2}}{2C}},$

joka on noin $1.3\times 10^{-23}{\rm {J}}$. Tätä vastaava terminen energia $E_{C}/k_{B}\approx 0.93{\rm {K}}$. Jos johteen lämpötila on pienempi kuin $E_{C}/k_{B}$, elektronien terminen energia ei riitä ylittämään varautumisenergiaa, jolloin liitoksen vastus kasvaa.

Yksittäiselle liitokselle Coulombin saartoa ei kuitenkaan normaalioloissa nähdä, koska liitoksen ympäristön fluktuaatiot luovuttavat elektroneille varautumisenergian ylittämiseen tarvittavan energian. Tarvitaan saareke ja vähintään kaksi liitosta. Tällöin saarekkeen konduktanssia voidaan myös ohjata siihen kapasitiivisesti kytketyllä porttijännitteellä.

Coulombin saartoa kuvataan yleisesti Konstantin Likharevin ja Dmitri Averinin 1980-luvulla muotoilemalla "Ortodoksiteorialla".

Sovelluksia

• Yksielektronitransistori SET
• Coulombin saarto -lämpömittari CBT