Транспортные характеристики туннельных гетероструктур: переход от квантового к классическому пределу

Abstract

Рассмотрены два возможных механизма частичной или полной потери информации, которая содержится в квантово-механической фазе электрона при его движении в стохастической твердотельной структуре. Первый заключается в фазовой рандомизации электронных характеристик (например, вследствие упругих рассеяний электронов на дефектах в тонких металлических слоях), а второй обусловлен неупругими взаимодействиями носителей тока с внешними степенями свободы. На примере двухбарьерной гетероструктуры показано, что в первом случае квантовый подход к проблеме сводится к полуклассическому методу, когда вместо квантовых амплитуд вероятностей фигурируют сами вероятности отдельных событий, а второй соответствует переходу к классической теории зарядового транспорта. Рассчитано влияние декогеренции на дифференциальную проводимость и дробовой шум в двухбарьерных туннельных системах со сверхпроводящим электродом и проанализировано их изменение, обусловленное переходом от квантового к некогерентному классическому режиму электронного транспорта.

Розглянуто два можливих механізми часткової або повної втрати інформації, яка міститься у квантово-механічній фазі електрона при його руху в стохастичній твердотільній структурі. Перший з них полягає в фазовій рандомізації електронного транспорту (наприклад, внаслідок пружних розсіювань електронів на дефектах в тонких металевих шарах), а другий обумовлений непружними взаємодіями носіїв струму із зовнішніми ступенями свободи. На прикладі двобар’єрної гетероструктури показано, що в першому випадку квантовий підхід до проблеми зводиться до напівкласичного методу, коли замість квантових амплітуд ймовірностей фігурують самі ймовірності окремих подій, а другий відповідає переходу до класичної теорії зарядового транспорту. Розраховано вплив декогеренції на диференціальну провідність і дробовий шум в двобар’єрних тунельних системах з надпровідниковим електродом та проаналізовано їх зміну, обумовлену переходом від квантового до некогерентного класичного режиму електронного транспорту.

Two possible mechanisms of partial or complete loss of information encoded in the quantummechanical phase of an electron moving in a stochastic solid-state structure are considered. The first one is the phase randomization of electronic characteristics (e.g. due to elastic scatterings of carriers by defects in thin metal layers) and the second one appears due to inelastic interactions of carriers with external degrees of freedom. The double-barrier heterostructure taken, as an example shows that in the first case, the quantum description reduces to a semi-classical approach, in which the probability amplitudes are replaced by corresponding probabilities of some events, and the second case corresponds to the transition to the classical charge-transport theory. The effect of decoherence on differential conductance and shot noise in double-barrier systems with a superconducting electrode is calculated, and their changes caused by the transition from quantum to classical incoherent regime of electron transport are analyzed.