موجبرهای الکترونی

پیوند نانولیتوگرافی و برآرستی (اپیتاکسی) لایه اتمی ‌منجر به طرح قطعات و وسیله‌هایی می‌شود که به قدری کوچک اند که در آنها مستقیماً با ماهیت موجی الکترون مواجه می‌شویم. فیزیک مطلب تا اندازه ای شبیه فیزیک امواج الکترو مغناطیسی هدایت شده است، در نتیجه طراحی قطعات الکترونی به تدریج به همان شیوه سیستمهای متعارف اپتیکی انجام می‌شود. در این قطعات برای تولید کلیدهای سریع، مدولاتورها، و جفت کننده ها از موجبرهای الکترونی و همدوسی فاز استفاده می‌شود. جدیدترین طرح از این نوع، جفت کننده جهت داری است که مانند کلید جریان عمل می‌کند.
این وسیله را جسوس دل آلامو و کریستوفر اوگستر در دانشگاه صنعتی ماساچوست(MIT) طراحی کرده اند.
برای این که بتوان از ماهیت موجی الکترون استفاده کرد، لازم است که همدوسی در سراسر ناحیه فعال دستگاه حفظ شود. ابعاد نیم رسانه‌های معمولی در دمای متعارفی، نسبت به مسافت آزاد میانگین بین دو پراکندگی الاستیک و ناالاستیک، بزرگ است. در نتیجه حاملهای بار را می‌توان ذرات کلاسیکی به حساب آورد که ماهیت کوانتومیشان منحصراً در جرم مؤثر و مشخصه میدان – سرعت منعکس است. با استفاده از تکنیک جدید برآرستی و نانولیتوگرافی، ابعاد بحرانی قطعات نیم رسانا را می‌توان کوچکتر از مسافت آزاد میانگین کرد تا ماهیت موجی واقعی الکترون آشکار شود. حالا دیگر می‌توان همدوسی حاملهای بار را در حین عبور از "سیستمهای کوانتومی" از ماده ای با تحرک زیاد و آلاییدگی کم در دمای کم امکان پذیر است.
موجبرهای الکترونی را می‌توان از سیمهای کوانتومی‌یک بعدی که طول ناحیه فعالشان در حدود µm1 است ساخت و انتظار می‌رود که در طول همدوسی بعضی از الکترونها حفظ شود. الکترون حتی اگر دستخوش چند برخورد الاستیک هم بشود، هنوز ممکن است متضمن اطلاعات فازی کافی باشد که بتواند آثار تداخلی کوانتومی‌مشهودی را ایجاد کند.
یکی از اولین قرائن عملی انتقال همدوس در نیم رساناها، آشکار سازی اثر آهارونوف – بوم توسط داتا و همکارانش بود. موجهای الکترونی همدوس به دو شاخه منشعب و به دو موجبر مجاور هم طول فرستاده می‌شوند. اعمال یک میدان مغناطیسی قائم، پتانسیل برداری را وارد می‌کند که فاز نسبی دو شاخه را تغییر می‌دهد. وقتی این دو موج مجدداٌ با هم ترکیب شوند، تداخل می‌کنند و این تداخل باعث افت و خیزهای قابل اندازه گیری در رسانایی می‌شود.
جفت کننده جهت دار کوانتومی‌با اثر میدان (QFED) که آن را دل آلامو و اوگستر ارائه کرده اند، در این راستا یک قدم به نظیر نوری این سیستم نزدیکتر می‌شود. جفت کننده‌های جهت دار اپتیکی را معمولاً به کمک موادی که ضریب شکستشان متفاوت است می‌سازند. دو ناحیه هدایت کننده با ضریب شکست زیاد توسط "سدی" با ضریب شکست کم از یکدیگر جدا می‌شوند.
QFED نیز همین ساختمان را دارد. دو موجبر الکترونی یک بعدی در دو انتها کاملاً از هم جدا شده اند، اما در مرکز در یک فاصله کوتاه "جفت شدگی" به هم نزدیک اند. موجبرها را می‌توان AIGaAS-GaAS ساخت که دارای ساختاری مطبق با آرایش مدوله باشد، در این صورت یک گاز الکترونی دو بعدی خواهیم داشت. آن گاه با نانولیتوگرافی نقشی در لایه بالایی AIGaAs به وجود می‌آوریم.
تعبیری از این ساختار، نشان داده شده است. زیر نواحی ضخیم AIGaAs گاز الکترونی دو بعدی متشکل از حاملهایی است که حرکتشان محدود به راستاهای x وy است و در پایین ترین حالت انرژی قرار دارند. حاملها می‌توانند در امتداد z آزادانه حرکت کنند و طولانی بودن مسافت آزاد میانگین باعث دوام همدوسی در سر تا سر موجبرها می‌شود. اگر ولتاژی به الکترود دریچه اعمال شود، ارتفاع سد میان موجبرها زیاد و کم می‌شود. وقتی که ارتفاع سد به اندازه کافی کم کم می‌شود. وقتی که ارتفاع سد به اندازه کافی کم است، انتهای تابع موج از یک مجرا به مجرای دیگر نقب می‌زند و مدها (وجود ارتعاش) به هم جفت می‌شوند. بنابر نظریه متعارف مد جفت شده، ویژه مدهای متقارن و پادمتقارن در ناحیه جفت شدگی وجود خواهند داشت، و تک مدهای منفرد درهر موجبر در انتهای وسیله موجود خواهند بود.
برای درک طرز کار این دستگاه از شبیه اپتیکی آن (به فرض معتبر بودن این مشابهت) استفاده می‌کنیم. یکی از موجبرها را چشمه و دیگری را دررو می‌نامیم. و از دو سر هر موجبر یکی ورودی و دیگری خروجی است. خروجی دررو و خروجی چشمه در پتانسیل واحدی نگه داشته می‌شود ولی ورودی دررو متغیر است. ولتاژی بین ورودی و خروجی موجبر چشمه اعمال می‌کنیم. مد منفرد چشمه به ناحیه جفت شدگی گسیل می‌شود و در آن جا از طریق نقب زدن با موجبر در رو فصل مشترک پیدا می‌کند و ترکیبی از مدهای متقارن و پادمتقارن را بر می‌انگیزد.
آن گاه، در حالی که موج در طول جفت کننده منتشر می‌شود، توانت بین دو موجبر نوسان می‌کند.
اگر ارتفاع سد و طول جفت کننده درست انتخاب شود (و این را با الکترود دریچه می‌توان تنظیم کرد) کل توان به موجبر دررو در انتهای ناحیه جفت شدگی انتقال پیدا می‌کند و از خروجی دررو خارج می‌شود. اندک تغییری دربایاس دریچه، ارتفاع سد و طول جفت شدگی مؤثر را تغییر می‌دهد و این خود یا به جدایی کامل موجبرها از یکدیگر می‌انجامد و یا سبب می‌شود که توان قیل از رسیدن به انتهای جفت کننده به موجبر چشمه بازگردد. به این ترتیب این وسیله می‌تواند توان را بین موجبرها قطع و وصل کند. چون همراه هم فاز شدن و نا هم فاز شدن طول جفت کننده با نوسان، کاهش تصاعدی ارتفاع سد موجب کم و زیاد شدن ضریب انتقال می‌شود.
مطابق برآورد دل آلامو و اوگستر ارتفاع سد در موارد معمولی باید کمتر از MeV15 باشد.
سرعت چنین کلیدی اساساً می‌تواند خیلی زیاد باشد، زیرا انتقال بار در یک فاصله کوتاه (پهنای سد 250 یا 500 آنگستروم انتظار می‌رود) آن هم با این وسیله به جای قطع و وصل کردن جریان، که در دریچه‌های متداول منطقی روی می‌دهد، فقط مسیر جریان را، بدون پر و خالی کردن خازنهای ذاتی سیستم، عوض می‌کند.
اما این تصویر ایده آل احتمالاً در عمل خدشه دار خواهد شد. عدم تقارن موجبر، کار آن در چند مد بازتابهای پی در پی مرزها، و توزیع محدود انرژی حاملها، کارایی انتقال را کاهش می‌دهد. اگر ارتفاع سدها کمتر از MeV15 باشد و مسافتهای آزاد میانگین طولانی مورد نظر باشد دما و میدانهای اعمال شده را باید خیلی کوچک اختیار کرد تا حاملها نتوانند مستقیماً از سد بالا بروند و همه ظرافتهای کوانتومی‌مسئله را در هم بریزند. احتمالاً مقاوم پارازیتی در الکترودهای دریچه فوق العاده باریک، و مقاومت موجود در موجبرهای یک بعدی، در عمل محدودیتهای بیشتری را سبب خواهند شد. از یک دیدگاه بنیادتر می‌توان به این نکته توجه کرد که آیا در این سیستمها، فرمیونها را می‌توان بوزون به حساب آورد یا نه. الکترونها باید از اصل طرد پاؤلی پیروی کنند و در نتیجه بر خلاف سیستم مشابه نوری، فقط می‌تواند در دو موجبر، از حالتها (یا به حالتها)یی انتقال یابند که در حول و حوش تر از فرمی‌قرار دارند. حضور الکترونها (بر خلاف مورد نور) روی پتانسیل موجبر هم اثر می‌کند. در مورد گاز الکترونی دو بعدی، با حذف الکترونها "موجبر" هم از میان می‌رود زیرا میدان خودسازگار ورقه الکترون اس که پتانسیل محصور کننده را به وجود می‌آورد. این قبیل تفاوتها احتمالاً در طرز کار واقعی دستگاه مهم خواهد بود. تشبیه سیستم مستلزم یک تحلیل خودسازگار مناسب است.
با وجود موانع متعددی که در انتقال همدوس کوانتومی‌الکترونها وجود دارد، این واقعیت را هم نباید فراموش کرد که اثرهای تداخلی کوانتومی‌مکرراً در وسایل ساخته شه دیده شده اند. ساخت وسیله‌های به اصطلاح "مزوسکوپی" که در آنها الکترونها دست خوش تعدادی برخورد الاستیک می‌شوند اما همدوسی کوانتومیشان را حفظ می‌کنند، تحول شایان توجهی در فیزیک نیم رسانا بوده است. این تحول بالقوه ممکن است به تغییر ماهیت دستگاههای الکترونی در آینده بینجامد. شاید الکترونها واقعاً بتوانند ادای نور را در بیاورند.