M5 Transporte Quântico

Tópico

Quando as dimensões dessa nanoestrutura, na direção em que conduz corrente elétrica, são reduzidas a um valor inferior ao livre percurso médio dos seus próprios elétrons de condução, o transporte de elétrons através dela deixa de ser difusivo, conforme descrito pelo modelo clássico de condução ôhmica já utilizado para metais ou cerâmicas em outros modelos de diferentes conjuntos de materiais. Em vez disso, torna-se transporte quântico: nesse regime, os elétrons não se dispersam mais aleatoriamente contra defeitos e impurezas ao atravessarem essa nanoestrutura, mas sim a percorrem de forma coerente, sem perder essa coerência quântica ao longo do caminho. Reduzir ainda mais as dimensões dessa nanoestrutura, abaixo desse mesmo livre percurso médio, permite que esse transporte quântico domine ainda mais completamente qualquer resquício de condução ôhmica clássica.

O fato de esses elétrons atravessarem essa nanoestrutura de forma coerente, sem sofrerem dispersão ao longo do caminho, constitui um canal de condução balística. Esse mesmo canal balístico produz, nesse regime, uma condutância quantizada: a condutância total dessa nanoestrutura deixa de variar continuamente e avança em passos discretos, cada um um múltiplo inteiro do quantum de condutância, à medida que um canal balístico adicional se abre. A abertura de um canal balístico adicional dentro dessa nanoestrutura faz com que essa condutância quantizada aumente abruptamente em exatamente mais um quantum de condutância.

Quando, no entanto, a continuidade dessa nanoestrutura é interrompida por uma barreira fina, uma seção isolante ou um vácuo muito curto para deter completamente esses elétrons, a aproximação WKB calcula a probabilidade de tunelamento. Essa probabilidade significa que cada elétron, apesar de não ter energia suficiente para superar essa barreira fina da maneira clássica, ainda aparece do outro lado. De acordo com o modelo de Simmons, essa mesma probabilidade de tunelamento determina a corrente de tunelamento que efetivamente atravessa essa barreira fina. Se essa fina barreira for ainda mais fina, a aproximação WKB aumenta a probabilidade de tunelamento e, consequentemente, a corrente de tunelamento também.

Portanto, este modelo, com seu transporte quântico e condutância quantizada, descreve o comportamento elétrico ideal dessa nanoestrutura, que contrasta diretamente com a condução ôhmica clássica de um metal ou cerâmica macroscópica. Enquanto nesses materiais macroscópicos a condutância depende continuamente da geometria da amostra, aqui ela depende do número inteiro de canais balísticos abertos. O fato de essa condutância quantizada, com a qual este modelo foi proposto, ser interrompida de forma anômala quando essa nanoestrutura é pequena o suficiente e fracamente acoplada o suficiente para que a energia de carga de um único elétron se torne significativa, significa que outro modelo, diferente deste conjunto, descreve, nesse caso particular, um bloqueio de Coulomb que este transporte quântico ideal, por si só, não contempla.

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