Sylabus
Během osmdesátých let minulého století dosáhly polovodičové technologie takové dokonalosti, že umožnily vytvářet elektronové systémy o rozměrech řádu několika desítek nanometrů, jako jsou například dvojrozměrné elektronové systémy, kvantové dráty či tzv. kvantové tečky - umělé atomy. Jejich příprava byla založena především na využití kombinace elektronové litografie a metody MBE (Molecular Beem Epitaxy), která umožňuje kontrolovaný růst jednoatomových polovodičových vrstev včetně jejich složení. Zásluhu na jejich rozvoji měly velké elektronické společnosti, které usilovaly o výrobu stále dokonalejších součástek a jejich miniaturizaci. Jedním z nejpřekvapivějších výsledků jejich studia byl objev kvantového Hallova jevu, za který byly uděleny Nobelovy ceny za fyziku v roce 1985 a 1998. Součástky založené na spinově polarizovaném transportu elektronů se staly základem nového oboru, tzv. spinotroniky, kterou odstartoval objev gigantické magnetoresistence v roce 1988.
Vodiče, jejichž rozměry nelze považovat ani za mikroskopické, ani makroskopické byly nazvány jako mezoskopické. Jejich vodivost není úměrná délce vodiče a nelze ji pochopit na základě klasické fyziky. Vlnový charakter elektronů zodpovědný za interferenční jevy, rozměrové kvantování elektronového spektra a interferenční jevy se v těchto systémech plně projevují především za velmi nízkých teplot. Neodmyslitelnou součástí kvantového transportu je i supravodivost, která patří do kategorie makroskopických kvantových jevů.
Přednášky si kladou za cíl přiblížit studentům podstatu kvantového charakteru elektronového transportu nejjednodušší formou vyžadující pouze znalost základů kvantové mechaniky a jsou věnovány následujícímu okruhu otázek: 1. Nízkorozměrné elektronové systémy - epitaxe z molekulárních svazků a litografie, pásové inženýrství a kvantové jámy, rozměrové kvantování, dvojrozměrný elektronový plyn. 2. Elektronový transport jako srážkový problém - souvislost konduktance (převrácená hodnota odporu) a transmisních koeficientů, kvantování odporu bodových kontaktů, Landauerův-Buttikerův formalismus. 3. Lokalizace a fluktuace konduktance - pravděpodobnost průchodu elektronu dvěma bariérami, vliv interference, lokalizační délka, univerzální fluktuace konduktance. 4. Jev Aharonova-Bohma - kvantování magnetického toku vodivou smyčkou. 5. Rezonanční tunelování a Coulombická blokáda - tunelování elektronů dvojitou barierou, rezonanční a jednoelektronové tunelování, elektronový turniket. 6. Celočíselný kvantový Hallův jev - kvantování energetického spektra vlivem silného magnetického pole, Landauovy hladiny a hranové stavy, diamagnetické proudy a vliv lokalizace. 7. Zlomkový kvantový Hallův jev - nestlačitelnost a faktor plnění, kompozitní fermiony. 8. Spinotronika - Zeemanovské rozštěpení, gigantická magnetoresistence, spin-orbitální vazba v polovodičových strukturách, spinová precese, polem řízený spinově polarizovaný tranzistor. 9. Fenomenologická teorie supravodivosti - Boseova-Einsteinova kondenzace, odvozeni Ginzburgových-Landauových rovnic, kritické proudy a magnetická pole, diamagnetismus. 10. Josephsonovy jevy - tunelování Cooperových párů, Josephsonův proud, Shapirovy schody, napěťový standard.
Anotace
Úvod do problematiky elektronového transportu v mezoskopických systémech.
Konduktance a transmisní koeficienty. Lokalizace, univerzální fluktuace a jev
Aharonova-Bohma. Kvantové Hallovy jevy. Elektronové dvojvrstvy.
Koherentní tunelování elektronů, rezonance a Coulombická blokáda.
Supravodivost a Josephsonovy jevy.