Эффекты диссипативного туннелирования: теория и сравнение с экспериментом

Актуальность и цели. Интерес к науке о диссипативном туннелировании в последние годы заметно возрос в связи с развитием технологии наноструктур, а также широким использованием в исследованиях свойств наноструктур атомного силового и сканирующего туннельного микроскопа. Актуальность этих исследований с прикладной точки зрения связана с перспективами разработки элементной базы квантовых компьютеров, лазеров на примесных переходах, фотоприемников с управляемыми характеристиками и т.д. С фундаментальной точки зрения представляют интерес исследования таких нелинейных туннельных эффектов, как двумерные туннельные бифуркации, квантовые биения, стохатизация режима туннелирования и др. Целью настоящей работы является теоретическое исследование влияния двух локальных фононных мод на 1D- и 2D-диссипативное туннелирование в условиях внешнего электрического поля при конечной температуре в системе совмещенного атомного силового и сканирующего туннельного микроскопа для туннельно связанных квантовых точек, а также сравнение полученных теоретических результатов с данными эксперимента. Материалы и методы. Расчет полевой зависимости вероятности 1D- и 2D-диссипативного туннелирования выполнен для модельного осцилляторного потенциала с учетом взаимодействия с одной и двумя локальными фононными модами среды-термостата в рамках квазиклассического приближения методом инстантонов. Проводится качественное сравнение полученных полевых зависимостей с экспериментальными туннельными вольт-амперными характеристиками для полупроводниковых квантовых точек из InAs, а также для квантовых точек из коллоидного золота на начальном этапе их формирования. Результаты. Теоретически выявлен режим осциллирующего одномерного диссипативного туннелирования с учетом влияния двух локальных фононных мод диэлектрической матрицы, качественно объясняющий отдельные экспериментальные туннельные вольт-амперные характеристики для квантовых точек InАs/ GаАs с неэквидистантными и немонотонными по амплитуде характерными пиками. Показано, что в режиме синхронного параллельного переноса туннелирующих частиц с иглы кантилевера в квантовую точку наличие двух локальных фононных мод приводит к появлению двух устойчивых пиков на полевой зависимости вероятности двумерного диссипативного туннелирования. Проведено качественное сравнение теоретической кривой в пределе слабой диссипации с экспериментальной туннельной вольт-амперной характеристикой для растущих квантовых точек из коллоидного золота под иглой кантилевера на начальном этапе формирования, когда размер квантовых точек не превышает 10 нм. Установлено, что на температурной зависимости вероятности двумерного диссипативного туннелирования один из двух устойчивых пиков, соответствующих взаимодействию туннелирующих частиц с двумя локальными фононными модами, может расщепляться на два, что может быть связано с механизмом интерференции каналов туннелирования. Найдено, что вблизи точки бифуркации реализуется теоретически предсказанный и экспериментально наблюдаемый режим квантовых биений. Выводы. Параметры диссипативного туннелирования (частоты локальных фононных мод, коэффициенты взаимодействия туннелирующей частицы с этими фононными модами) наряду с температурой и напряженностью внешнего электрического поля позволяют эффективно управлять туннельным транспортом в квантовых точках под иглой кантилевера совмещенного атомного силового и сканирующего туннельного микроскопа.