توضیحی بر طرز کار ترانزیستور تک الکترون

گروهی از محققان انستیتو تکنولوژی ماساچوست(ام آی تی)، احتمالا راز ترانزیستور تک الکترون را گشوده اند. اگر اشکالی در کارشان پیدا نشود، مسئلة رفتار الکترون هایی که در فضایی بسیار کوچک محصورند، روشن تر خواهد شد.
مارک کاستنر، پل مک ایون، و اتان فاکسمن، فیزیک دانان ام آی تی، و شالوم ویند، از آی بی ام، خبر ساخت ترانزیستور بسیار حساسی را دادند که در آن جریان، با عبور تقریبا یک الکترون از فضای کوچک به ابعاد میکرون قطع و وصل می شد. اما وسیلة ساخت آن ها اشکال عجیبی داشت: جریانی که از این فضا عبور می کرد افت و خیز زیادی داشت. همین امر باعث شد که بعضی ها مطرح کنند که آیا با پدیدة فیزیکی جدیدی روبه رو شده ایم؟ اخیرا گروه دیگری در ام آی تی ـ پاتریک لی، ییگال میر، و نِد وینگرین ـ که فیزیک دان های نظری اند توانسته اند این بی هنجاری را در چارچوب آثار کوانتومی ناظر بر رفتار الکترون در اتم توضیح بدهند.
"همین تابستان سال گذشته بود که در مقاله ای در مجلة ساینس عنوان شده بود که در این زمینه نظریه از آزمایش عقب مانده است"، این سخنان را وینگرین در گزارشی از نتایج کار گروه خود در گردهمایی انجمن ابراز داشت و ادامه داد که "حالا ما به نظریه ای پرداخته ایم که آزمایش دیگری هم آن را تایید کرده است".
در آزمایش اصلی، کاستنر و همکارانش وسیله ای ساختند که هر بار یک الکترون را وادار می کرد از مجرای باریکی عبور کند. این وسیله (که فقط در دماهای خیلی کم اندکی بالاتر از صفر مطلق، کار می کند) ابتدا الکترون ها را در صفحه ای بین سطوح گالیم آرسنید و آلومینیم ـ گالیم آرسنید جمع می کند و سپس آن ها را به داخل مجرای باریکی، بین دو "دریچة" فلزی باردار می راند. در این دریچه ها موانعی در محل های مناسب تعبیه شده اند. این پژوهشگران با استفاده از این موانع خط زنجیر الکترون ها را در دو نقطه قطع می کنند و در حدود 50 الکترون را در ناحیة بسیار کوچکی که آن را "جزیرة کولن" می نامند، گیر می اندازند.
آزمایشگران متوجه شدند که با تغییر ولتاژ بین الکترودهای وسیلة خود، می توانند الکترون ها را یکی یکی به این جزیره اضافه کنند. در حین انجام این کار، یک دسته قلة تیز جریان را هم اندازه گرفتند (که در اینجا جریان تقریبا مترادف است با این که به چه سهولتی می توان الکترون های بیشتری را به جزیره اضافه کرد.) به نظر وینگرین نقاط پایین متناظر با موقعی است که جزیرة کولنی دارای تعداد صحیحی الکترون است. دافعة متقابل میان الکترون ها، آن ها را به صورت باشگاهی درمی آورد که پیوستن به آن مستلزم صرف انرژی زیادی است.
قله ها وقتی پدیدار می شوند که ولتاژ بین الکترودها، متناظر با وجود یک نصف الکترون در جزیره باشد (یعنی، مثلا نصف اوقاف 6 الکترون و نصف دیگر 7 الکترون). به نظر وینگرین در این ولتاژها، دستگاه اجازة عبور به الکترون ها را می دهد. "چیز عجیب این است که ارتفاع این قله ها همه با هم فرق می کند" و "رفتار هر قله کاملا با قلة دیگر متفاوت است". اتفاق عجیب-تر این که با زیادتر شدن دمای وسیله، قله ها هم ارتفاع می شوند، قله های بلند، کوتاه و قله های کوتاه، بلند می شوند.
برای توجیه این بی هنجاری ها، میر الکترون ها را امواجی در نظر می گیرد که می تواند فرکانس ها یا انرژی های خاصی داشته باشند، یعنی همان گرایشی که در اتم ها دارند و فقط ترازهای انرژی به خصوصی را اشغال می کنند. به نظر میر "در این جا دو اثر کوانتومی وجود دارد، یکی کوانتش بار، که بنابرآن فقط وجود تعداد گسسته ای الکترون میسر و دیگری کوانتش حالت-های انرژی این الکترون ها".
میر چنین استدلال می کند که قوانین حاکم بر جزیره ایجاب می کند که هر الکترونی که افزوده می شود باید تابع موجی (یا حالت انرژی) متفاوتی را نسبت به الکترون های موجود اختیار کند. الکترون های جاری که به جزیره نزدیک می شوند می توانند خود را در بعضی از این حالت های انرژی، خیلی آسان تر از حالت های دیگر جا کنند. "وارد شدن به تراز هفتم ممکن است خیلی آسان تر از ورود به تراز ششم باشد، در حالی که ورود به تراز هشتم از تراز هفتم آسان تر است." دلیل ارتفاع های متفاوت قله های جریان همین است.
افزایش دما امکان ورود الکترون ها را به هر حالت انرژی افزایش می دهد: در دمای زیاد، الکترون های جزیره می توانند ترازهای انرژی شان را با هم عوض کنند و در نتیجه همه چیز به یک حالت میانگین می رسد. کاستنر می گوید که "اثر دما برای ما راز بزرگی بود، این بخش نظریه از اهمیت و زیبایی خاصی برخوردار است".
گروه میر این نظریه را با آزمایش به محک امتحان زدند تا ببینند آیا الکترون های جزیره واقعا ترازهای انرژی گسسته ای را اختیار می کنند یا نه. آزمایشگران این کار را با اعمال یک میدان مغناطیسی به دستگاه انجام دادند که به گفتة کاستنر پیش-بینی ترازهای انرژی الکترون را کاملا میسر می کند. چنین به نظر می رسد که الکترون های پای بند به جزیره در میدان مغناطیسی، همان انرژی های گسسته ای را اختیار می کنند که نظریه دان ها پیش بینی کرده اند.
این وسیله می تواند با اندک تغییری در ولتاژ اعمال شده، جریانش را به شدت تغییر دهد. به نظر میر این توانایی ممکن است بسیار مفید واقع شود. اما اول باید کاری کرد که این وسیله در دماهای بسیار زیادتر هم کار کند، زیرا ترانزیستورهایی که فقط در دماهای نزدیک به صفر مطلق کار می کنند، چندان عملی به حساب نمی آیند. میر می گوید که "برای انجام این کار باید فیزیک آن را فهمید".