M5 Transport quantique

Topique

Lorsque les dimensions de cette nanostructure, dans la direction de conduction du courant électrique, sont réduites en deçà du libre parcours moyen de ses électrons de conduction, le transport électronique cesse d'être diffusif, comme le décrit le modèle de conduction ohmique classique déjà utilisé pour les métaux ou les céramiques dans d'autres modèles d'assemblages de matériaux différents. Il devient alors un transport quantique : dans ce régime, les électrons ne sont plus diffusés aléatoirement par les défauts et les impuretés lors de leur passage dans la nanostructure, mais la traversent de manière cohérente, sans perdre cette cohérence quantique. En réduisant encore davantage les dimensions de cette nanostructure, en deçà de ce même libre parcours moyen, ce transport quantique domine complètement toute trace de conduction ohmique classique.

Le fait que ces électrons traversent cette nanostructure de manière cohérente, sans diffusion, constitue un canal de conduction balistique. Ce même canal induit, dans ce régime, une conductance quantifiée : la conductance totale de la nanostructure ne varie plus de façon continue, mais progresse par paliers discrets, chacun étant un multiple entier du quantum de conductance, à mesure qu'un canal balistique supplémentaire s'ouvre. L'ouverture d'un canal balistique supplémentaire au sein de cette nanostructure provoque une augmentation abrupte de la conductance quantifiée d'un quantum de conductance.

Cependant, lorsque la continuité de cette nanostructure est interrompue par une barrière mince, une section isolante ou un vide trop court pour arrêter complètement ces électrons, l'approximation WKB calcule la probabilité d'effet tunnel. Cette probabilité signifie que chaque électron, bien que n'ayant pas l'énergie nécessaire pour franchir cette barrière mince de façon classique, apparaît tout de même de l'autre côté. Selon le modèle de Simmons, cette même probabilité d'effet tunnel détermine le courant tunnel qui traverse effectivement cette barrière mince. Si cette barrière mince est encore plus mince, l'approximation WKB augmente la probabilité d'effet tunnel, et par conséquent, le courant tunnel également.

Ainsi, ce modèle, avec son transport quantique et sa conductance quantifiée, décrit le comportement électrique idéal de cette nanostructure, ce qui contraste directement avec la conduction ohmique classique d'un métal ou d'une céramique macroscopique. Alors que dans ces matériaux macroscopiques la conductance dépend continûment de la géométrie de l'échantillon, ici elle dépend du nombre entier de canaux balistiques ouverts. Le fait que cette conductance quantifiée, qui a permis d'établir ce modèle, soit néanmoins interrompue de manière anormale lorsque cette nanostructure est suffisamment petite et faiblement couplée pour que l'énergie de charge d'un seul électron devienne significative signifie qu'un autre modèle, différent de celui-ci, décrit, dans ce cas particulier, un bloc de Coulomb que ce transport quantique idéal, à lui seul, ne prend pas en compte.

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