16、扫描探针电子成像与液滴蚀刻在量子环研究中的应用

扫描探针电子成像与液滴蚀刻在量子环研究中的应用

扫描探针显微镜揭示类布雷斯悖论

在之前的研究中，扫描门显微镜（SGM）已被用于对环形量子环（QR）中的电子输运进行成像。而在这部分研究里，SGM展现出了新的能力——调节电子输运。研究人员通过SGM的栅极效应，对一个分支介观网络中的传导通道进行耗尽操作，这个网络的基本形状是矩形环，由此发现了介观尺度下类似于布雷斯悖论的现象。

布雷斯悖论最初是在交通网络中被发现的，在拥堵的交通网络中增加一条新道路，反而可能导致整体交通状况恶化，即道路使用者的出行时间变长；反之，封闭复杂道路网络中的某些街道，却可能意外地减少平均出行时间。后来，这个悖论被扩展到经典物理学的其他网络中，如机械或电气网络。在介观半导体网络中，电子输运是弹道且相干的，研究人员通过结合模型网络的量子模拟和SGM，发现了类似布雷斯悖论的现象。

研究人员构建了一个简单的双路径网络，它是一个通过两个开口连接到源极和漏极的矩形环。这个环由GaInAs异质结图案化而成，尺寸的选择确保了嵌入的二维电子气（2DEG）在4.2 K时处于弹道和相干输运状态。环中的短导线比源极/漏极开口窄，这使得它们对于传播的电子来说就像拥堵的狭窄通道。通过在环中图案化一个中央导线，为电子开辟了第三条路径，绕过了初始矩形环中的反点。

接下来，研究人员使用SGM通过栅极效应部分阻挡额外分支的电子输运。直观上，这样做应该会导致通过器件的电流减小，但实验和量子模拟都发现，在某些条件下，情况恰恰相反。这表明在这种网络中，电子的行为就像拥堵城市中的司机一样，阻塞一条路径反而有利于“交通”效率。

通过模拟，研究人员展示了网络几何结构和计算得到的电导横截面随探针位置的变化关系。具体参数如下表所示：