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Coulomb blockade and transfer of electrons one by one
Hugues Pothier
DRECAM/SPEC
Lundi 16/09/1991, 00h00
SPEC Amphi Bloch, Bât.774,, Orme des Merisiers

Manuscrit de la thèse.


Résumé :

Les fluctuations de point zéro de la charge sur la capacité d'une jonction tunnel connectée à un circuit de polarisation sont, dans quasiment toutes les situations expérimentales, supérieures à la charge de l'électron. De ce fait, les effets de la granularité de l'électricité sont masqués, sauf dans les circuits qui contiennent une «île», électrode connectée au reste du circuit seulement par des jonctions tunnel et des capacités. La charge de l'île étant quantifiée, ses fluctuations sont bloquées. Si la capacité de l'île est suffisamment petite et la température suffisamment basse, aucun électron ne peut pénétrer sur l'île par effet tunnel à cause de l'accroissement d'énergie électrostatique que cela entraînerait. Nous avons observé cet effet, appelé «blocage de Coulomb», dans la «boîte à électrons», où une île est délimitée par une jonction tunnel et une capacité. Une source de tension couplée à l'île à travers la capacité permet d'y contrôler le nombre d'électrons. Nous avons conçu et fait fonctionner deux dispositifs à jonctions tunnel nanométriques basés sur ce principe, le «tourniquet» et la «pompe», à travers lesquels le courant est contrôlé électron par électron. Dans nos expériences, la précision du transfert est de l'ordre du pourcent. Elle devrait être un million de fois plus grande dans des versions de ces dispositifs comportant plus de jonctions. On pourrait alors les utiliser pour une nouvelle mesure de la constante de structure fine alpha.

Mots-clés : Blocage de Coulomb, effet tunnel, jonctions tunnel, effets à un électron, single electron effects, pompe, tourniquet, environnement électromagnétique


Coulomb blockade and transfer of electrons one by one

Abstract:

Zero point fluctuations of the charge on the capacitance of a tunnel junction connected to a bias circuit are in almost all experimental situations larger than the electron charge. As a consequence, the effects of charge granularity are hidden, but in circuits with "islands", which are electrodes connected to the rest of the circuit only through tunnel junctions and capacitors. The island charge being quantized, its fluctuations are blocked. If the island capacitance is sufficiently small, no electron can enter the island because of the increase of electrostatic energy that would occur. We have observed this effect, called "Coulomb blockade", in the "single electron box", where an island is formed between a tunnel junction and a capacitor. A bias voltage source coupled to the island through the capacitor allows to control the number of electrons. We have designed and operated two devices with nanoscale tunnel junctions based on this principle, the "turnstile" and the "pump", through which the current is controlled electron by electron. In our experiments, the precision of the transfer is of the order of one percent. It should be a million time better in versions of these devices with more junctions. One could then use them for a new measurement of the fine structure constant alpha.

Keywords: Coulomb blockade, tunneling, tunnel junctions, pump, turnstile, electromagnetic environment.

Contact : Hugues POTHIER

 

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