Диссертация (1097781), страница 42
Текст из файла (страница 42)
Òðè ìàñøòàáà ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê êàíàëû ðåëàêñàöèè ñî ñêîðîñòÿìè 2ImE1 ,2ImE2 è 2ImE3 . Òðè äðóãèõ âðåìåííûõ ìàñøòàáà îïðåäåëÿþòñÿ âûðàæåíèÿìè Re(E1 − E∗2 ), Re(E1 − E∗3 ) è Re(E2 − E∗3 ) è îòâå÷àþò çà ôîðìèðîâàíèåîñöèëëÿöèé ïðè ýâîëþöèè ÷èñåë çàïîëíåíèÿ.Åñëè ïðåíåáðå÷ü òóííåëèðîâàíèåì ìåæäó öåíòðàëüíîé êâàíòîâîéòî÷êîé è ïðàâîé êâàíòîâîé òî÷êîé, òî äëÿ ñèñòåìû èç äâóõ ñâÿçàííûõêâàíòîâûõ òî÷åê (T13 = 0) ïîÿâëÿåòñÿ òîëüêî òðè âðåìåííûõ ìàñøòàáà, è′èç óðàâíåíèé (5.56), (5.57), (5.58) ïîëó÷èì ñîîòíîøåíèå äëÿ ôóíêöèé f1 (t )′è f2 (t ):′f1 (t )ε2 − E1 − iγ=−′f2 (t )ε2 − E2 − iγ(5.59)Âûðàæåíèå äëÿ âðåìåííîé ýâîëþöèè ÷èñåë çàïîëíåíèÿ n1 (t) â êâàíòîâîé òî÷êå ñ óðîâíåì ýíåðãèè ε1 ìîæíî çàïèñàòü â âèäå:[∗∗∗n1 (t) = n01 · Ae−i(E1 −E1 )t + 2Re(Be−i(E1 −E2 )t )+ Ce−i(E2 −E2 )tãäå êîýôôèöèåíòû A, B è C îïðåäåëÿþòñÿ âûðàæåíèÿìè:](5.60)229|E2 − ε1 |2|E2 − E1 |2|E1 − ε1 |2C =|E2 − E1 |2(E2 − ε1 )(E1∗ − ε1 )B = −|E2 − E1 |2A =(5.61)à êîýôôèöèåíòû X , Z è D â òî÷íîñòè ðàâíû íóëþ. ýòîì ñëó÷àå â ñèñòåìå ñóùåñòâóåò äâà õàðàêòåðíûõ âðåìåííûõ ìàñøòàáà γres è γnonres , êîòîðûå îïèñûâàþò ðåëàêñàöèþ çàðÿäà ÷åðåç ïðîìåæóòî÷íóþ êâàíòîâóþ òî÷êó â ñîñòîÿíèÿ íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà â ñëó÷àÿõðåçîíàíñíîãî è íåðåçîíàíñíîãî òóííåëèðîâàíèÿ:γres2T 2=γγnonresγ2= γres(ε1 − ε2 )2(5.62)Ïîñêîëüêó ìû ðàññìàòðèâàåì ñèòóàöèþ, êîãäà âûïîëíåíû ñîîòíîøåíèÿ ε1 − ε3 ≫ T è ε1 − ε3 ≫ γ , òî ñêîðîñòü ðåçîíàíñíîé ðåëàêñàöèèçíà÷èòåëüíî ïðåâîñõîäèò ñêîðîñòü ðåëàêñàöèè ÷åðåç íåðåçîíàíñíûé êàíàëγres ≫ γnonres , è â ñèñòåìå ñóùåñòâóåò ìàëûé ïàðàìåòð γnonres /γres .
Íàëè÷èå ìàëîãî ïàðàìåòðà ïîçâîëÿåò âûïèñàòü ïðèáëèæåííûå âûðàæåíèÿ äëÿñèñòåìû òðåõ ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê, êîòîðûå â ñëó÷àå ðåçîíàíñíîãî òóííåëèðîâàíèÿ ìåæäó ñðåäíåé è ëåâîé êâàíòîâûìè òî÷êàìè ε1 ≃ ε2îêàçûâàþòñÿ ñïðàâåäëèâûìè â ïåðâîì ïîðÿäêå òåîðèè âîçìóùåíèé ïî ïàγ2ðàìåòðó (ε1 −ε2:3)E1 − E1∗ =E2 − E2∗ =E3 − E3∗ =E2 − E3∗ =E1 − E3∗ =γ2−iγres 1 +(ε1 − ε3 )2222TTT−2iγ 1 − 2 + 2γγ (ε1 − ε3 )22T2iγ 1 −(ε1 − ε3 )222TTε1 − ε3 − 2iγ (1 + 2 −22γ2(ε1 − ε3 )2γ2Tε1 − ε3 − iγres− iγ 1 −22(ε1 − ε3 )(ε1 − ε3 )(5.63)230E1 − E2∗2T 2T2 γ2T2= iγ +−i−22ε1 − ε3γ (ε1 − ε3 )(ε1 − ε3 )Ïðè âûïîëíåíèè óñëîâèé ε1 = ε2 , ε1 − ε3 ≫ T è ε1 − ε3 ≫ γ , òî÷íûåâûðàæåíèÿ (5.56) ïðèíèìàþò ñëåäóþùèé âèä:F21T2γT2T2≃ − 2 1 ++ 2 −γε1 − ε3 γγ(ε1 − ε3 )T2 T2T2F31 ≃ 2+i22γ (ε1 − ε3 )(ε1 − ε3 )(5.64)Òàêèì îáðàçîì, êîýôôèöèåíòû D, Z è X , êîòîðûå îòâå÷àþò çà”îáðàòíûé” òîê â ïðàâûé áåðåã òóííåëüíîãî êîíòàêòà ïðèíèìàþò çíà÷åíèÿ íàìíîãî ìåíüøèå, ÷åì çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòîâ A, B è C , êîòîðûåñîîòâåòñòâóþò ”ïðÿìîìó” òîêó â ëåâûé áåðåã òóííåëüíîãî êîíòàêòà, èçT2çà ïîÿâëåíèÿ ìàëîãî ïàðàìåòðà (ε1 −ε2 .
Ïîýòîìó, äëÿ ïðîñòîòû îïóñòèì3)ñëàãàåìûå, ñîäåðæàùèå êîýôôèöèåíòû D, Z è X â âûðàæåíèè (5.58), êîòîðîå îïðåäåëÿåò âðåìåííóþ ýâîëþöèþ çàðÿäà, ëîêàëèçîâàííîãî â ñðåäíåéêâàíòîâîé òî÷êå.Íàêà÷êà ýëåêòðîíîâ ïðîèñõîäèò â òîì ñëó÷àå, åñëè óðîâåíü ýíåðãèè âñðåäíåé êâàíòîâîé òî÷êå ε1 (t) ÿâëÿåòñÿ ôóíêöèåé âðåìåíè è åãî ïîëîæåíèåíà øêàëå ýíåðãèé èçìåíÿåòñÿ ïåðèîäè÷åñêè (ðèñ.).
Ðàññìîòðèì ñëó÷àéñëàáî ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê, êîãäà âûïîëíåíî óñëîâèå T ≪ γ . Äëÿâû÷èñëåíèÿ òóííåëüíîãî òîêà áóäåì ðàññìàòðèâàòü ñëó÷àé ïåðèîäè÷åñêîãîïåðåêëþ÷åíèÿ ïîëîæåíèÿ óðîâíÿ ýíåðãèè ε1 â ñðåäíåé êâàíòîâîé òî÷êåâíåøíèì çàòâîðîì.Ïóñòü ìåæäó óðîâíÿìè ýíåðãèè â ñðåäíåé è ëåâîé êâàíòîâûõ òî÷êàõâûïîëíåíî ñîîòíîøåíèå ε1 (t) = ε2 â èíòåðâàëå âðåìåí 0 < t < t0 .
Âûïîëíåíèå ýòîãî óñëîâèÿ îçíà÷àåò ðåçîíàíñíîå òóííåëèðîâàíèå ìåæäó óðîâíÿìèýíåðãèè ε1 è ε2 êâàíòîâûõ òî÷åê.Ïóñòü â èíòåðâàëå âðåìåí t0 < t < 2t0 ïðîèñõîäèò ðåçîíàíñíîå òóííåëèðîâàíèå ìåæäó óðîâíÿìè ýíåðãèè ñðåäíåé ε1 è ïðàâîé ε3 êâàíòîâûõòî÷åê, òîãäà âûïîëíåíî ñîîòíîøåíèå ε1 (t) = ε3 .Âðåìåííàÿ ýâîëþöèÿ ëîêàëüíîé ýëåêòðîííîé ïëîòíîñòè â ñðåäíåéêâàíòîâîé òî÷êå n1 (t) îïðåäåëÿåòñÿ âûðàæåíèåì (5.58) è ïîêàçàíà íà ðèñóíêå. èíòåðâàëå 0 < t < t0 , âðåìåííàÿ ýâîëþöèÿ ÷èñåë çàïîëíåíèÿ âñðåäíåé êâàíòîâîé òî÷êå îïèñûâàåòñÿ âûðàæåíèåì:5.35.4числа заполнения231Ðèñ.
5.4 . Âðåìåííàÿ ýâîëþöèÿ ëîêàëüíîé ýëåêòðîííîé ïëîòíîñòè n1 (t) â öåíòðàëüíîéêâàíòîâîé òî÷êå â ñèñòåìå òðåõ ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê â ñëó÷àå, êîãäà ïîëîæåíèåóðîâíÿ ýíåðãèè â ñðåäíåé êâàíòîâîé òî÷êå çàâèñèò îò âðåìåíè. Êðèâàÿ ÷åðíîãî öâåòà ñîîòâåòñòâóåò ñëó÷àþ, êîãäà ÷àñòîòà ïåðåêëþ÷åíèÿ ïîëîæåíèÿ óðîâíÿ ýíåðãèèε1 ìåíüøåñêîðîñòåé ðåëàêñàöèè. Êðèâàÿ ñåðîãî öâåòà ñîîòâåòñòâóåò ñëó÷àþ, êîãäà ÷àñòîòà ïåðåêëþ÷åíèÿ ïîëîæåíèÿ óðîâíÿ ýíåðãèè[(n1 (t) =n01ε1 áîëüøå ñêîðîñòåé ðåëàêñàöèè.)γres −γres t γres −γt1+e−eγγ](5.65)à â èíòåðâàëå t0 < t < 2t0 - âûðàæåíèåì:γres −γres (t − t0 ) γres −γ(t − t0 ))e−(e]+γγγres −γres (t − t0 ) γres −γ(t − t0 ))e+e]+[1 − (1 +γγn1 (t) = n01 [(1 +(5.66)Çà âðåìÿ ïåðâîãî ïîëóïåðèîäà (0 < t < t0 ) àìïëèòóäà ëîêàëèçîâàííîãî çàðÿäà óìåíüøàåòñÿ èç-çà òóííåëèðîâàíèÿ â ñîñòîÿíèÿ íåïðåðûâíîãîñïåêòðà ÷åðåç ëåâóþ êâàíòîâóþ òî÷êó (òî÷êà ñ óðîâíåì ýíåðãèè ε2 ), à çàâðåìÿ âòîðîãî ïîëóïåðèîäà (t0 < t < 2t0 ) ñðåäíÿÿ êâàíòîâàÿ òî÷êà (òî÷êàñ óðîâíåì ýíåðãèè ε1 ) çàïîëíÿåòñÿ â ðåçóëüòàòå òóííåëèðîâàíèÿ èç ñîñòîÿíèé íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà ÷åðåç ïðàâóþ êâàíòîâóþ òî÷êó (òî÷êà ñ óðîâíåìýíåðãèè ε3 ).
Ó÷èòûâàÿ óñëîâèÿ ïåðèîäè÷íîñòè n1 (2t0 ) = n01 , ïîëó÷èì âûðàæåíèå äëÿ ïîñòîÿííîé n01 :n01 =(1+ 1+γresγ)1e−γres t0 −(5.67)γres −γt0γ eÐåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ âðåìåííîé ýâîëþöèè ÷èñåë çàïîëíåíèÿ â ñðåäíåé êâàíòîâîé òî÷êå n1 (t) ïðåäñòàâëåíû íà ðèñóíêå. Ñëó÷àé, êîãäà5.4232÷àñòîòà èçìåíåíèÿ ïîëîæåíèÿ óðîâíÿ ýíåðãèè â ñðåäíåé êâàíòîâîé òî÷êå Ω ≡ 1/2t0 ïðåâîñõîäèò ñêîðîñòè ðåëàêñàöèè γres , γ èçîáðàæåí êðèâîéñåðîãî öâåòà. Êðèâàÿ ÷åðíîãî öâåòà ñîîòâåòñòâóåò ñëó÷àþ, êîãäà ÷àñòîòàèçìåíåíèÿ ïîëîæåíèÿ óðîâíÿ ýíåðãèè â ñðåäíåé êâàíòîâîé òî÷êå Ω ìåíüøåñêîðîñòåé ðåëàêñàöèè γres , γ . Ñ ðîñòîì ÷àñòîòû àìïëèòóäà ÷èñåë çàïîëíåíèÿ n1 (t) ñòðåìèòñÿ ê 1/2 è ïî÷òè íå çàâèñèò îò âðåìåíè äëÿ âûñîêèõ÷àñòîò ïåðåêëþ÷åíèÿ çàòâîðà.Äëÿ íèçêèõ ÷àñòîò ïðè âûïîëíåíèè óñëîâèÿ γres t0 ≫ 1 çíà÷åíèå ïîñòîÿííîé n01 ïðàêòè÷åñêè ðàâíî 1.
Óðîâåíü ýíåðãèè ε1 çàïîëíÿåòñÿ ïðàêòè÷åñêè ïîëíîñòüþ çà îäèí öèêë íàêà÷êè (äëÿ ðàññìàòðèâàåìîãî ñëó÷àÿ,êîãäà óðîâåíü ýíåðãèè ε2 ðàñïîëîæåí çíà÷èòåëüíî âûøå, à óðîâåíü ε3 çíà÷èòåëüíî íèæå óðîâíÿ Ôåðìè).Íåñòàöèîíàðíûé òóííåëüíûé òîê âîçíèêàåò â ðàññìàòðèâàåìîé ñèñòåìå ïðè íóëåâîì íàïðÿæåíèè íà òóííåëüíîì êîíòàêòå.
Âåëè÷èíó òóííåëüíîãî òîêà ìîæíî âû÷èñëèòü äëÿ ëþáîãî ïîëóïåðèîäà, èñïîëüçóÿ óðàâíåíèå:∂n1 (t) = I(t)(5.68)∂tÄëÿ ïåðâîãî ïîëóïåðèîäà 0 < t < t0 âûðàæåíèå äëÿ òóííåëüíîãî òîêàèìååò âèä:e[I(t) =en01 γresγres −γres t(1 +)e− e−γtγ](5.69)Ñðåäíåå çíà÷åíèå òóííåëüíîãî òîêà îïðåäåëÿåòñÿ âûðàæåíèåì:t11 ∫0I(t)dt = e n01 ·< I >= e2t0 02t0[]γres −γres t0 γres −γt0· 1 − (1 +)e+eγγ(5.70)Âûðàæåíèå äëÿ ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ òóííåëüíîãî òîêà èìååò ïðîñòîéâèä < I >= eΩ, åñëè âûïîëíåíî óñëîâèå Ω ≡ 1/2t0 ≪ γres , ïîñêîëüêóâ ðàññìàòðèâàåìîì äèàïàçîíå ÷àñòîò èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà çàòâîðån01 = 1.  ýòîì ðåæèìå ñâÿçàííûå êâàíòîâûå òî÷êè ìîæíî èñïîëüçîâàòüêàê ñòàíäàðò òîêà: âåëè÷èíà òóííåëüíîãî òîêà ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíà ÷àñòîòå èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà çàòâîðå.
Ñèñòåìà ôóíêöèîíèðóåò â ðåæèìå ñòàíäàðòà òóííåëüíîãî òîêà ñ ýêñïîíåíöèàëüíîé òî÷íîñòüþ, êîòîðàÿ233îïðåäåëÿåòñÿ âòîðûì è òðåòüèì ñëàãàåìûìè â êâàäðàòíûõ ñêîáêàõ â âûðàæåíèè (5.70). Íåîáõîäèìî çàìåòèòü, ÷òî äàæå â ñëó÷àå, êîãäà ðàññòðîéêàìåæäó óðîâíÿìè ýíåðãèè â êðàéíèõ ÿìàõ ñîïîñòàâèìà ïî âåëè÷èíå ñî ñêîðîñòÿìè ðåëàêñàöèè |ε2 −ε3 | ≃ γ ≃ T , ýôôåêò íàñîñà íå èñ÷åçàåò. Âåëè÷èíàòóííåëüíîãî òîêà îñòàåòñÿ ïðîïîðöèîíàëüíîé ÷àñòîòå, íî óìåíüøàåòñÿ ïîñðàâíåíèþ ñî çíà÷åíèåì, ïîëó÷åííûì äëÿ èäåàëüíûõ óñëîâèé ôóíêöèîíèðîâàíèÿ ýëåêòðîííîãî íàñîñà < I >= eΩ.Äëÿ ñëó÷àÿ, êîãäà íàïðÿæåíèå íà çàòâîðå èçìåíÿåòñÿ ñ âûñîêîé ÷àñòîòîé γ ≫ Ω ≡ 1/2t0 ≫ γres , ñðåäíåå çíà÷åíèå òóííåëüíîãî òîêà íåçàâèñèò îò ÷àñòîòû èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà çàòâîðå è èìååò âåëè÷è2íó: < I >= eγres /4 (γres = 2Tγ ).
Ïðè äàëüíåéøåì óâåëè÷åíèè ÷àñòîòû (Ω ≫ γ ≫ γres ) ñðåäíåå çíà÷åíèå òóííåëüíîãî òîêà óìåíüøàåòñÿ2< I >= eγres/4γ .Òàêèì îáðàçîì, ñðåäíåå çíà÷åíèå íåñòàöèîíàðíîãî òóííåëüíîãî òîêàâ ðàññìàòðèâàåìîé ñèñòåìå äåìîíñòðèðóåò íåìîíîòîííîå ïîâåäåíèå â çàâèñèìîñòè îò ÷àñòîòû èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà çàòâîðå ñ ìàêñèìóì íà÷àñòîòå Ω ≃ γres (ðèñ. ). Ýòîò ýôôåêò ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàí äëÿ ñòàáèëèçàöèè ÷àñòîòû â óñòðîéñòâàõ, ïðèìåíÿåìûõ â ñîâðåìåííîé íàíîýëåêòðîíèêå.5.5Средний туннельный токСредний туннельный токб012Ðèñ. 5.5 . Çàâèñèìîñòü ñðåäíåãî òóííåëüíîãî òîêà ÷åðåç ñèñòåìó òðåõ ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê îò ÷àñòîòû (÷àñòîòà èçìåíåíèÿ ïîëîæåíèÿ óðîâíÿ ýíåðãèè â ñðåäíåé êâàíòîâîéòî÷êåΩ = 1/2t0 ).
Íà ðèñóíêàõ ïðåäñòàâëåíû ðàçíûå ìàñøòàáû ÷àñòîòû.Ïàðàìåòðû óñòðîéñòâà íà îñíîâå ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê çàâèñÿòîò ðàçìåðîâ êâàíòîâûõ òî÷åê, ðàññòîÿíèÿ ìåæäó òî÷êàìè, àìïëèòóä òóííåëüíûõ ïåðåõîäîâ, ïîëîæåíèé óðîâíåé ýíåðãèè. Îöåíêà òèïè÷íûõ ïàðàìåòðîâ òóííåëüíîé ñèñòåìû ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü õàðàêòåðíûå çíà÷åíèÿ÷àñòîò è òîêîâ, êîòîðûå ìîæíî äîñòè÷ü â òàêèõ óñòðîéñòâàõ:234T ≃ 1 meV, γ ≃ 1 ÷ 10 meV ⇒γres = 2T 2 /γ ≃ 0.1 ÷ 1 meV ≃ 1010 ÷ 1011 1/secãäå âåëè÷èíû ïàðàìåòðîâ T è γ îïðåäåëÿþòñÿ øèðèíàìè è âûñîòàìèòóííåëüíûõ áàðüåðîâ.
Äëÿ òîãî, ÷òîáû ïîëó÷èòü çíà÷åíèÿ, èñïîëüçîâàííûåïðè ðàñ÷åòàõ, íåîáõîäèìî ñîçäàâàòü ýëåêòðîííûé íàñîñ íà áàçå êâàíòîâûõòî÷åê ñ òèïè÷íûì ðàçìåðîì ïîðÿäêà äåñÿòè íàíîìåòðîâ [287, 288]. Äëÿ òî÷åê òàêîãî ðàçìåðà çíà÷åíèÿ ýíåðãèè óðîâíåé ðàçìåðíîãî êâàíòîâàíèÿ íåìåíüøå, ÷åì òóííåëüíûå øèðèíû óðîâíåé. Óñòðîéñòâà òàêîãî òèïà ìîãóòðàáîòàòü íà ãèãàãåðöîâûõ è ñóáãèãàãåðöîâûõ ÷àñòîòàõ è äîñòèãàòü çíà÷åíèé òîêîâ ïîðÿäêà íàíîàìïåð è ñóáíàíîàìïåð (1nA ≃ 6 · 109 e/sec).Ðàçëè÷èå ìåæäó àìïëèòóäàìè òóííåëèðîâàíèÿ â ðåçîíàíñíîì è íåðåçîíàíñíîì ñëó÷àÿõ ìîæíî èñïîëüçîâàòü äëÿ ñîçäàíèÿ èíâåðñíîé çàñåëåííîñòè êâàíòîâîãî ýìèòòåðà, ñîçäàííîãî íà îñíîâå ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê.
Ñõåìà òàêîãî óñòðîéñòâà ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ..5.6Ðèñ. 5.6 . Ñõåìàòè÷åñêîå èçîáðàæåíèå äâóõ ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê, êîòîðûå ìîãóòáûòü èñïîëüçîâàíû äëÿ ñîçäàíèÿ íåñòàöèîíàðíîé èíâåðñíóþ çàñåëåííîñòè óðîâíåé ýíåðãèè. ñèñòåìå äâóõ ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê ïîëîæåíèå óðîâíÿ ýíåðãèè ε ìîæíî èçìåíÿòü, ïðèêëàäûâàÿ íàïðÿæåíèå ê çàòâîðó. Åñëè ïðè ýòîìâ êâàíòîâîé òî÷êå ñóùåñòâóåò òðåòèé íåðåçîíàíñíûé óðîâåíü ýíåðãèè, êîòîðûé ðàñïîëîæåí ìåæäó âåðõíèì è íèæíåì óðîâíÿìè ýíåðãèè, òî ïåðåêà÷êà çàðÿäà ñ èçíà÷àëüíî çàïîëíåíîãî óðîâíÿ ε3 íà íàèâûñøèé óðîâåíüε1 ñîçäàåò èíâåðñíóþ çàñåëåííîñòü ñîñòîÿíèé ñ ýíåðãèÿìè ε2 è ε1 . Ýòîòïðèíöèï ìîæåò áûòü ïðèìåíåí äëÿ ñîçäàíèÿ êâàíòîâîãî ãåíåðàòîðà íàíîìåòðîâûõ ðàçìåðîâ. 5.4. ÂûâîäûÈññëåäîâàíû ïðîöåññû ðåëàêñàöèè çàðÿäà â êâàíòîâûõ òî÷êàõ áîëüøîãî ðàçìåðà ñ ìåëêèìè óðîâíÿìè ýíåðãèè, âçàèìîäåéñòâóþùèõ ñ ñîñòîÿíèÿìè íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà.