[论文解读] Fractional Coulomb blockade in a coupling controlled metallic quantum dot

Ora Bitton, A. Frydman+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2015

Quantum and electron transport phenomena参考文献 29被引用 12

一句话总结

本文在耦合可控的金属量子点中展示了分数库仑阻塞效应，其中由于分数电荷转移（每周期 1/W e⁻），电导表现出多周期振荡，该现象通过耗散作用理论和瞬子解得到证实。关键结果是在中间耦合区域实验观测到高达第七次谐波的电导振荡，与非微扰隧穿过程相关。

ABSTRACT

We use a novel technique to experimentally explore transport properties through a single metallic nanoparticle with variable coupling to electric leads. For strong dot-lead coupling the conductance is an oscillatory function of the gate voltage with periodicity determined by the charging energy, as expected. For weaker coupling we observe the appearance of additional multi-periodic oscillations of the conductance with the gate voltage. These harmonics correspond to a change of the charge on the dot by a fraction of an electron. This notion is supported by theoretical calculations based on dissipative action theory. Within this framework the multiple periodicity of the conductance oscillations arises due to non-pertubative instanton solutions.

研究动机与目标

• 研究在可控量子点-电极耦合条件下金属量子点的输运性质，弥合封闭量子点与开放量子点区域之间的差距。
• 探索传统库仑阻塞理论无法解释的多周期电导振荡的出现机制。
• 通过基于耗散作用理论的理论建模，建立观测到的谐波振荡与分数电荷转移之间的联系。
• 实验表明，在中间耦合区域，电导振荡可表现出对应于分数电子电荷变化（1/W e⁻）的周期性。

提出的方法

• 利用30 nm金胶体通过AFM纳米操控技术在源极和漏极电极之间制造金属量子点。
• 通过电化学金沉积控制量子点-电极耦合，减小间隙距离，从而调节维度电导 $ g_D $。
• 在 $ T = 4.2K $ 条件下测量电导随栅压 ($ V_g $) 和源-漏电压 ($ V_{SD} $) 的变化，实时监测耦合调节过程中的电导变化。
• 对 $ ̼(V_g) $ 曲线进行傅里叶变换，提取谐波成分并识别超出基本充电能量 $ E_c $ 的多重周期性。
• 应用耗散作用理论和瞬子解来模拟非微扰隧穿过程，其中绕数 $ W $ 对应于分数电荷转移 $ \Delta Q = e/W $。
• 引入经验修正项以考虑温度和偏压对谐波振幅的影响，从而描述热展宽和非平衡效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在与电极呈中间耦合的金属量子点中，是否可能产生超出标准库仑阻塞周期性的多周期电导振荡？
• RQ2 电导振荡中额外谐波的来源是什么？是否可归因于分数电子电荷转移？
• RQ3 谐波分量的相对强度如何随耦合强度、温度和磁场变化？
• RQ4 耗散作用理论中的理论瞬子解在多大程度上能解释观测到的多周期行为？
• RQ5 谐波振幅的磁场依赖性是否支持分数电荷转移和相干量子隧穿的存在？

主要发现

• 弱耦合金属量子点中的电导振荡表现出多重周期性，傅里叶分析中最多观测到七种不同谐波。
• 基本周期性对应于 $ E_c \sim 1.8V $，而更高次谐波（最高至 $ W=7 $）表明存在 $ e/W $ 的分数电荷转移，其中第五次谐波最为显著。
• 谐波振幅随谐波阶数非单调变化，部分样品中高阶谐波（如 $ W=5 $）振幅甚至超过低阶谐波，表明存在强烈的样品间涨落。
• 施加磁场（覆盖一个磁通量子的5 T范围）导致谐波强度出现周期性振荡，主导谐波在 $ W=1 $ 和 $ W=2 $ 之间切换，证实了波函数依赖的干涉效应。
• 由于 $ W^2T/E_c $ 标度和 $ \tilde{g}_D $ 的对数重整化，热效应和偏压效应导致高阶谐波被更强抑制，与实验数据一致。
• 基于耗散作用理论和瞬子解的理论建模成功解释了通过非微扰隧穿过程（绕数 $ W $）产生的分数周期性。