[论文解读] 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 7

一句话总结

该论文提出了一种基于磁通穿过的介观金属环作为基于量子效应的NOT门，采用紧束缚模型和非平衡格林函数方法计算电导率和I-V特性。在半量子磁通（$\phi = \phi_0/2$）条件下，当输入电压$V_a = 0$时系统表现出高输出电流（逻辑1），而当$V_a = 2$时电流为零（逻辑0），展示了在简单且适用于有限温度条件的设计中精确的NOT门行为。

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.

研究动机与目标

• 证明介观环可利用电子输运特性作为量子NOT门。
• 研究栅压和磁通如何调制对称环-电极系统中的电导率和电流-电压特性。
• 建立一个基于量子干涉的简单、低维纳米逻辑器件平台。
• 表明即使在有限温度下，该模型的参数也显示NOT门响应具有鲁棒性。

提出的方法

• 紧束缚模型描述具有$N$个格点的介观环的电子结构，包括特定格点的栅压$V_a$和$V_\alpha$。
• 采用Landauer-Büttiker形式化方法通过透射概率$T = \mathrm{Tr}[\Gamma_S G_R^r \Gamma_D G_R^a]$计算电导率。
• 采用非平衡格林函数（NEGF）方法计算偏置下的透射函数和电流-电压（$I$-$V$）响应。
• 在环与电极之间的弱耦合和强耦合区域进行数值模拟，改变磁通$\phi$和栅压$V_a$。
• 分析电导率-能量谱和$I$-$V$曲线，以识别共振峰和阈值电压。
• 在$\phi = \phi_0/2$处分析系统，此时量子干涉导致透射发生相消或相长，具体取决于输入栅压。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有对称电极耦合和可调栅压的介观环是否能表现出NOT门行为？
• RQ2 磁通$\phi$如何影响环中的透射和电流响应？
• RQ3 环与电极之间的耦合强度在决定不同输入电压下的输出电流方面起什么作用？
• RQ4 在不同栅压和有限温度下，NOT门响应是否具有鲁棒性？
• RQ5 能否调节系统的$I$-$V$特性以实现清晰的逻辑0和逻辑1状态？

主要发现

• 在$\phi = \phi_0/2$时，当输入栅压$V_a = 0$，系统表现出高输出电流（2.846），对应逻辑1。
• 当输入栅压增加至$V_a = 2$时，输出电流降至精确零，对应逻辑0，证实了NOT门逻辑。
• 在弱耦合极限下，$I$-$V$曲线表现出阶梯状结构，由离散共振峰引起，需达到阈值电压$V_{th}$才能启动电流流动。
• 在强耦合极限下，$I$-$V$曲线变得平滑，电流振幅显著增大（在$V=6.02$时为2.846），这是由于能级展宽所致。
• 在$\phi = \phi_0/2$时，电导率谱显示当$V_a = 2$时发生相消干涉，抑制透射，导致电流为零。
• 结果在弱耦合和强耦合两种情形下均一致，证实了所提系统中NOT门响应的鲁棒性。