[論文レビュー] NOT gate response in a mesoscopic ring: An exact result

Santanu K. Maiti|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2009

Quantum and electron transport phenomena参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、磁束を貫通するミクロ的金属リングを用いて、タイトバインディングモデルと非平衡グリーン関数法を用いて、電導およびI-V特性を計算することで、量子的ベースのNOTゲートを提案している。半分の磁束量子（$φ = φ_0/2$）において、入力電圧$V_a = 0$のとき高電流出力（論理1）を示し、$V_a = 2$のときゼロ電流（論理0）を示すため、単純で有限温度に耐える設計において、正確なNOTゲート動作を示している。

ABSTRACT

We explore NOT gate response in a mesoscopic ring threaded by a magnetic flux $ϕ$. The ring is attached symmetrically to two semi-infinite one-dimensional metallic electrodes and a gate voltage, viz, $V_a$, is applied in one arm of the ring which is treated as the input of the NOT gate. The calculations are based on the tight-binding model and the Green's function method, which numerically compute the conductance-energy and current-voltage characteristics as functions of the ring-to-electrodes coupling strength, magnetic flux and gate voltage. Our theoretical study shows that, for $ϕ=ϕ_0/2$ ($ϕ_0=ch/e$, the elementary flux-quantum) a high output current (1) (in the logical sense) appears if the input to the gate is low (0), while a low output current (0) appears when the input to the gate is high (1). It clearly exhibits the NOT gate behavior and this aspect may be utilized in designing an electronic logic gate.

研究の動機と目的

• ミクロ的リングが電子輸送特性を用いて量子的NOTゲートとして機能できることを示すこと。
• ゲート電圧と磁束が対称的リング-電極系における電導および電流-電圧特性に与える影響を調査すること。
• 量子干渉に基づく、低次元で単純なナノスケール論理デバイスのプラットフォームを確立すること。
• モデルのパrameterから示唆されるように、有限温度でもNOTゲート応答が頑健であることを示すこと。

提案手法

• タイトバインディングモデルは、$N$個の格子サイトを有するミクロ的リングの電子的構造を記述し、サイト固有のゲート電圧$V_a$および$V_\alpha$を含む。
• 電導は伝達確率$T = \mathrm{Tr}[\Gamma_S G_R^r \Gamma_D G_R^a]$を用いて、ランダウアー＝ビュッテイラー形式により計算される。
• 非平衡グリーン関数（NEGF）は、バイアス下での伝達関数および電流-電圧（$I$-$V$）応答を計算するために用いられる。
• リングと電極間の弱結合および強結合の両領域において、磁束$\phi$およびゲート電圧$V_a$を変化させながら数値シミュレーションが実施された。
• 共鳴ピークおよびしきい値電圧を特定するために、電導-エネルギースペクトルおよび$I$-$V$曲線が分析された。
• 量子干渉が、入力ゲート電圧に応じて破壊的または強化的伝達を引き起こす$φ = \phi_0/2$において、システムが分析された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対称的電極結合と可変ゲート電圧を有するミクロ的リングは、NOTゲート動作を示せるか？
• RQ2 磁束$\phi$は、リング内の伝達および電流応答にどのように影響するか？
• RQ3 リング-電極結合強度は、異なる入力電圧における出力電流を決定づける役割を果たすか？
• RQ4 ゲート電圧が変化し、有限温度下でもNOTゲート応答は頑健か？
• RQ5 システムの$I$-$V$特性を調整することで、明確な論理0および論理1状態を達成できるか？

主な発見

• $φ = \phi_0/2$において、入力ゲート電圧$V_a = 0$のとき、出力電流が高く（2.846）、論理1に対応する。
• 入力ゲート電圧が$V_a = 2$に増加すると、出力電流は正確にゼロに低下し、論理0に対応するため、NOTゲート論理が確認された。
• 弱結合極限では、離散的共鳴ピークにより$I$-$V$曲線が段差構造を示し、電流の流れを開始するためのしきい値電圧$V_{th}$が必要となる。
• 強結合極限では、$I$-$V$曲線は滑らかになり、エネルギー準位が広がったため、電流の振幅が顕著に大きくなる（$V=6.02$で2.846）。
• $\phi = \phi_0/2$における電導スペクトルでは、$V_a = 2$のとき破壊的干渉が生じ、伝達が抑制され、電流がゼロになる。
• 結果は弱結合および強結合両極限で一貫しており、提案されたシステムにおけるNOTゲート応答の頑健性が確認された。