Coulomb-Blockade: Was ist das?
Die Coulomb-Blockade ist ein Phänomen, bei dem die Bewegung von Elektronen durch einen eng begrenzten Raum aufgrund von elektrostatischen Wechselwirkungen blockiert wird. Dies tritt auf, wenn sich eine kleine Insel aus leitfähigem Material zwischen zwei Elektroden befindet und die Quantenmechanik ins Spiel kommt. Die Insel kann nur eine begrenzte Anzahl von Elektronen aufnehmen, bevor die Abstoßung zwischen den Elektronen zu groß wird und keine weiteren Elektronen mehr aufgenommen werden können.
Wie entsteht die Hemmung des Elektronentransports?
Die Hemmung des Elektronentransports entsteht durch die Ladungsdichte im leitfähigen Material, die durch die Wechselwirkung zwischen den Elektronen und der Inseloberfläche beeinflusst wird. Wenn die Anzahl von Elektronen, die sich in der Insel befinden, eine bestimmte Schwelle überschreitet, treten elektrostatische Abstoßungskräfte auf. Diese Kräfte behindern den Transport von zusätzlichen Elektronen, da sie gegen die elektrische Spannung arbeiten, die durch die Elektroden angelegt wird.
Anwendungsbereiche der Coulomb-Blockade
Die Coulomb-Blockade hat zahlreiche Anwendungsbereiche in der Nanoelektronik und in der Physik. Es wird unter anderem zur Herstellung von Einzelelektronen-Transistoren verwendet, die in der Mikroelektronik in der Signalverarbeitung eingesetzt werden. Die Hemmung des Elektronentransports durch die Coulomb-Blockade wird auch in der Quanteninformationsverarbeitung genutzt, um den Zustand von Qubits zu manipulieren. Darüber hinaus wird das Phänomen auch in der Forschung verwendet, um die Eigenschaften von Materialien bei niedrigen Temperaturen zu untersuchen.
Beispiel: Coulomb-Blockade in der Nanoelektronik
Ein Beispiel für die Anwendung der Coulomb-Blockade in der Nanoelektronik ist die Verwendung von Einzelelektronen-Transistoren (SETs). SETs sind äußerst empfindliche Bauelemente, da sie nur einen einzigen Elektronentransport erlauben. Sie bestehen aus einer Insel aus leitfähigem Material, die zwischen zwei Elektroden platziert wird. Der Stromfluss durch die Insel wird durch die Coulomb-Blockade gehemmt, sobald sich eine bestimmte Anzahl von Elektronen in der Insel befindet. Dieses Phänomen kann genutzt werden, um einzelne Elektronen zu zählen und zu manipulieren, was in der Signalverarbeitung und in der Quanteninformationsverarbeitung von großem Nutzen ist.
