低維與奈米尺度系統

彈道輸運

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設想穿過一個擠滿人的房間。通常你得在人群裡磕磕碰碰、左閃右躲,路線歪歪扭扭,到達時已是一臉狼狽。但如果房間恰好空著,你便能徑直走過去、誰都碰不到,就像一隻拋出的球乾淨俐落地飛過空氣。電子有時也能恰恰以這第二種方式穿過一個微小的樣品。

彈道輸運指的是電子流過一個小而乾淨的樣品,乾淨到它們穿越其中卻不被任何東西散射——既不與振動的原子相撞,也不被雜質彈開。通常一個電子只走過一段典型的短距離,即它的平均自由程,便會撞上東西、改變方向;而當整個樣品比這段距離還短時,彈道輸運就發生了,於是一個電子從一端徑直駛向另一端。沒有碰撞來拖慢它們,這些電子傳導電流的方式,便從根本上不同於普通導線裡的電子。

這之所以重要,是因為它是窺見純粹量子行為的一扇窗,也是通往更快、運行更涼的奈米器件的途徑,因為在普通導體裡,正是碰撞把能量浪費成熱。誠實的提醒是:彈道輸運很脆弱:它通常要求很小的樣品、很乾淨的材料,往往還要很低的溫度,因為溫暖會讓原子振動起來,而這些振動恰恰是電子必須躲開的障礙。

在一根乾淨的碳奈米管裡,一個電子能走完整根管子的長度——好幾百奈米——而一次碰撞都不發生。因為一路上沒有任何東西散射它,這根管子在那一小段距離上,便幾乎像一根完美無損的導線。

在一根乾淨的碳奈米管裡,電子能穿過全長而一次碰撞都不發生。

彈道並不意味著沒有電阻:即便樣品內部沒有任何電子被散射,在窄溝道與寬引線相接的觸點處,仍會出現一個真實的電阻——這是由有多少量子通道被打開所設定的一個內稟極限。

又稱
弹道输运