ในฟิสิกส์ระดับเมโซสโคปิกการปิดกั้นคูลอมบ์ ( CB ) ซึ่งตั้งชื่อตามแรงไฟฟ้าของชาร์ลส์-ออกัสติน เดอ คูลอมบ์คือการลดลงของค่าการนำไฟฟ้าที่แรงดันไบแอส ต่ำของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่ประกอบด้วย จุดเชื่อมต่ออุโมงค์ ที่ มีความจุต่ำอย่างน้อยหนึ่งจุด[ ^{1 ] เนื่องจาก} CB ค่าการนำไฟฟ้าของอุปกรณ์อาจไม่คงที่ที่แรงดันไบแอสต่ำ แต่จะหายไปสำหรับไบแอสที่ต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนด กล่าวคือไม่มีกระแสไหล

การปิดกั้นคูลอมบ์สามารถสังเกตได้โดยการสร้างอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กมาก เช่นจุดควอนตัมเมื่ออุปกรณ์มีขนาดเล็กพออิเล็กตรอนภายในอุปกรณ์จะสร้างแรงผลักคูลอมบ์ ที่รุนแรง ซึ่งป้องกันไม่ให้อิเล็กตรอนอื่นไหล ดังนั้น อุปกรณ์จะไม่เป็นไปตามกฎของโอห์ม อีกต่อไป และความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและแรงดันไฟฟ้าของการปิดกั้นคูลอมบ์จะมีลักษณะเหมือนขั้นบันได^{[ 2 ]}

แม้ว่าการปิดกั้นคูลอมบ์จะสามารถใช้เพื่อสาธิตการควอนตัมของประจุไฟฟ้า ได้ แต่ก็ยังคงเป็น ปรากฏการณ์ คลาสสิกและคำอธิบายหลักไม่จำเป็นต้องใช้กลศาสตร์ควอนตัมอย่างไรก็ตาม เมื่อมีอิเล็กตรอนจำนวนน้อยและมี การใช้ สนามแม่เหล็ก สถิตภายนอก การปิดกั้นคูลอมบ์จะเป็นพื้นฐานสำหรับการปิดกั้นสปิน (เช่น การปิดกั้นสปินของเปาลี) และการปิดกั้นหุบเขา^{[ 3 ]} ซึ่งรวมถึงผลกระทบทางกลศาสตร์ควอนตัมอันเนื่องมาจากปฏิสัมพันธ์ของสปินและ วงโคจร ระหว่างอิเล็กตรอนตามลำดับ

อุปกรณ์เหล่านี้อาจประกอบด้วยขั้วไฟฟ้า ที่เป็นโลหะหรือ ตัวนำยิ่งยวด ก็ได้ หากขั้วไฟฟ้าเป็นตัวนำยิ่งยวดกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านคู่คูเปอร์ (ที่มีประจุลบสองประจุพื้นฐาน ) ในกรณีที่ขั้วไฟฟ้าเป็นโลหะหรือ ตัวนำปกติกล่าวคือไม่ใช่ทั้งตัวนำยิ่งยวดหรือ ตัวนำ กึ่งตัวนำกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่าน อิเล็กตรอน (ที่มีประจุ )${\displaystyle -2e}$${\displaystyle -e}$

ส่วนต่อไปนี้เป็นกรณีของจุดเชื่อมต่อแบบอุโมงค์ที่มีฉนวนกั้นระหว่างอิเล็กโทรดตัวนำปกติสองตัว (จุดเชื่อมต่อ NIN)

โดยพื้นฐานแล้วรอยต่ออุโมงค์คือ ฉนวนบางๆ ที่กั้นระหว่างขั้วไฟฟ้าตัวนำสองขั้ว ตามกฎของ พลศาสตร์ไฟฟ้าแบบคลาสสิกกระแสไฟฟ้าไม่สามารถไหลผ่านฉนวนได้ อย่างไรก็ตาม ตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม มี ความน่าจะเป็นที่ไม่เป็นศูนย์ (มากกว่าศูนย์) ที่อิเล็กตรอนด้านหนึ่งของฉนวนจะไปถึงอีกด้านหนึ่ง (ดูการทะลุผ่านแบบควอนตัม ) เมื่อ มีการใช้ แรงดันไบแอสนั่นหมายความว่าจะมีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น และหากไม่พิจารณาผลกระทบเพิ่มเติม กระแสการทะลุผ่านจะเป็นสัดส่วนกับแรงดันไบแอส ในทางไฟฟ้า รอยต่ออุโมงค์ทำหน้าที่เหมือนตัวต้านทานที่มีความต้านทานคงที่ หรือที่เรียกว่าตัวต้านทานโอห์มิกความต้านทานขึ้นอยู่ กับความหนาของฉนวนแบบ เลขชี้กำลังโดยทั่วไป ความหนาของฉนวนจะอยู่ในระดับหนึ่งถึงหลายนาโนเมตร

การจัดเรียงตัวนำสองตัวโดยมีชั้นฉนวนอยู่ตรงกลางนั้น ไม่เพียงแต่มีความต้านทานเท่านั้น แต่ยังมีค่าความจุ จำกัดอีกด้วย ในบริบทนี้ ฉนวนยังเรียกว่าไดอิเล็กทริกและจุดเชื่อมต่อแบบอุโมงค์ทำหน้าที่เสมือนตัวเก็บประจุ

เนื่องจากประจุไฟฟ้าเป็นแบบไม่ต่อเนื่อง กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านรอยต่ออุโมงค์จึงเป็นลำดับเหตุการณ์ที่อิเล็กตรอนเพียงหนึ่งตัวเท่านั้นผ่าน ( อุโมงค์ ) ผ่านกำแพงอุโมงค์ (เราไม่พิจารณาการอุโมงค์ร่วม ซึ่งอิเล็กตรอนสองตัวผ่านพร้อมกัน) ตัวเก็บประจุของรอยต่ออุโมงค์จะถูกประจุด้วยประจุพื้นฐานหนึ่งตัวโดยอิเล็กตรอนที่ผ่านอุโมงค์ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสะสมโดยที่คือค่าความจุของรอยต่อ หากค่าความจุมีค่าน้อยมาก แรงดันไฟฟ้าสะสมอาจมากพอที่จะป้องกันไม่ให้อิเล็กตรอนตัวอื่นผ่านอุโมงค์ได้ กระแสไฟฟ้าจึงถูกระงับที่แรงดันไบแอสต่ำ และความต้านทานของอุปกรณ์จะไม่คงที่อีกต่อไป การเพิ่มขึ้นของความต้านทานเชิงอนุพันธ์รอบ ๆ แรงดันไบแอสศูนย์เรียกว่า การปิดกั้นคูลอมบ์ ${\displaystyle U=e/C}$${\displaystyle C}$

เพื่อให้สามารถสังเกตปรากฏการณ์ Coulomb blockade ได้ อุณหภูมิจะต้องต่ำพอที่พลังงานประจุลักษณะเฉพาะ (พลังงานที่จำเป็นในการประจุจุดเชื่อมต่อด้วยประจุพื้นฐานหนึ่งตัว) จะมีค่ามากกว่าพลังงานความร้อนของตัวนำประจุ ในอดีต สำหรับค่าความจุที่สูงกว่า 1  เฟมโตฟารัด (10 ⁻¹⁵  ฟารัด ) หมายความว่าอุณหภูมิจะต้องต่ำกว่าประมาณ 1  เคลวินช่วงอุณหภูมินี้สามารถเข้าถึงได้เป็นประจำ ตัวอย่างเช่น โดย ตู้เย็น ฮีเลียม-3ด้วยควอนตัมดอทขนาดเล็กเพียงไม่กี่นาโนเมตร ทำให้สามารถสังเกตปรากฏการณ์ Coulomb blockade ได้ที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิของฮีเลียมเหลว จนถึงอุณหภูมิห้อง^{[ 4 ] [ 5 ]}

ในการสร้างจุดเชื่อมต่ออุโมงค์ใน รูปทรง เรขาคณิตของตัวเก็บประจุแบบแผ่นที่มีความจุ 1 เฟมโตฟารัด โดยใช้ชั้นออกไซด์ที่มีค่าสภาพยอม ทางไฟฟ้า 10 และความหนาหนึ่งนาโนเมตรจำเป็นต้องสร้างอิเล็กโทรดที่มีขนาดประมาณ 100 x 100 นาโนเมตร ขนาดช่วงนี้สามารถทำได้โดยทั่วไป เช่น โดย วิธี การลิโทกราฟีด้วยลำแสงอิเล็กตรอนและ เทคโนโลยี การถ่ายโอนรูปแบบ ที่เหมาะสม เช่นเทคนิค Niemeyer–Dolanหรือที่รู้จักกันในชื่อเทคนิคการระเหยเงา การบูรณาการการผลิตควอนตัมดอทเข้ากับเทคโนโลยีอุตสาหกรรมมาตรฐานได้สำเร็จสำหรับซิลิคอน กระบวนการ CMOS สำหรับการผลิตทรานซิสเตอร์ควอนตัมดอทอิเล็กตรอนเดี่ยวจำนวนมากที่มีขนาดช่องสัญญาณลดลงเหลือ 20 นาโนเมตร x 20 นาโนเมตร ได้ถูกนำมาใช้แล้ว^{[ 6 ]}

อุปกรณ์ที่ง่ายที่สุดที่สามารถสังเกตปรากฏการณ์การปิดกั้นคูลอมบ์ได้คือทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอน เดี่ยว มันประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าสองขั้วที่เรียกว่าเดรนและซอร์ส ซึ่งเชื่อมต่อกันผ่านรอยต่ออุโมงค์ไปยังขั้วไฟฟ้าทั่วไปหนึ่งขั้วที่มี ความจุไฟฟ้าในตัวเองต่ำเรียกว่าไอส์แลนด์ศักย์ไฟฟ้าของไอส์แลนด์สามารถปรับได้โดยขั้วไฟฟ้าที่สามที่เรียกว่าเกตซึ่งเชื่อมต่อกับไอส์แลนด์ด้วยตัวเก็บประจุ

ในสภาวะปิดกั้น จะไม่มีระดับพลังงานใดที่สามารถเข้าถึงได้ภายในระยะการทะลุผ่านของอิเล็กตรอน (สีแดง) บนหน้าสัมผัสแหล่งกำเนิด ระดับพลังงานทั้งหมดบนอิเล็กโทรดเกาะที่มีพลังงานต่ำกว่าจะถูกครอบครองหมดแล้ว

เมื่อจ่ายแรงดันบวกไปยังขั้วไฟฟ้าเกต ระดับพลังงานของขั้วไฟฟ้าเกาะจะลดลง อิเล็กตรอน (สีเขียว 1.) สามารถทะลุผ่านเกาะ (2.) เข้าไปครอบครองระดับพลังงานที่ว่างอยู่ก่อนหน้านี้ จากนั้นมันสามารถทะลุผ่านไปยังขั้วไฟฟ้าเดรน (3.) ซึ่งมันจะกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นและไปถึงระดับเฟอร์มิของขั้วไฟฟ้าเดรน (4.)

ระดับพลังงานของอิเล็กโทรดเกาะมีระยะห่างเท่าๆ กันทำให้เกิดความจุไฟฟ้าในตัวเองของเกาะ ซึ่งกำหนดโดย ${\displaystyle \Delta E.}$${\displaystyle C}$

${\displaystyle C={\frac {e^{2}}{\Delta E}}.}$

เพื่อให้เกิดปรากฏการณ์การปิดกั้นคูลอมบ์ (Coulomb blockade) จะต้องเป็นไปตามเกณฑ์สามประการดังนี้:

1. แรงดันไบแอสต้องต่ำกว่าประจุพื้นฐานหารด้วยค่าความจุในตัวเองของเกาะ:  ;${\displaystyle V_{\text{bias}}<{\frac {e}{C}}}$
2. พลังงานความร้อนที่จุดสัมผัสของแหล่งกำเนิดรวมกับพลังงานความร้อนในบริเวณเกาะ จะต้องมีค่าต่ำกว่าพลังงานประจุมิฉะนั้นอิเล็กตรอนจะสามารถผ่านควอนตัมดอทได้โดยอาศัยการกระตุ้นด้วยความร้อน และ${\displaystyle k_{\rm {B}}T,}$${\displaystyle k_{\rm {B}}T<{\frac {e^{2}}{2C}},}$
3. ความต้านทานการทะลุผ่านควรจะมากกว่าซึ่งได้มาจากหลักการความไม่แน่นอน^ของ ไฮเซนเบิร์ก [ ^{7 ]}${\displaystyle R_{\rm {t}},}$${\displaystyle {\frac {h}{e^{2}}},}$

เทอร์โมมิเตอร์แบบปิดกั้นคูลอมบ์ (CBT) ทั่วไปทำจากแผ่นโลหะขนาดเล็กจำนวนมากที่เชื่อมต่อกันด้วยชั้นฉนวนบางๆ เกิดเป็นรอยต่อแบบอุโมงค์ระหว่างแผ่นโลหะเหล่านี้ และเมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้า อิเล็กตรอนอาจเคลื่อนที่แบบอุโมงค์ผ่านรอยต่อนี้ อัตราการเคลื่อนที่แบบอุโมงค์และค่าการนำไฟฟ้าจะแปรผันตามพลังงานประจุของแผ่นโลหะ รวมถึงพลังงานความร้อนของระบบด้วย

เทอร์โมมิเตอร์แบบคูลอมบ์บล็อกเกดเป็น เทอร์โมมิเตอร์หลักที่อาศัยคุณลักษณะการนำไฟฟ้าของอาร์เรย์ของจุดเชื่อมต่ออุโมงค์ พารามิเตอร์V _½ = 5.439 Nk _B T / eซึ่งเป็นความกว้างเต็มที่ที่ครึ่งค่าต่ำสุดของค่าการนำไฟฟ้าเชิงอนุพันธ์ที่วัดได้ในอาร์เรย์ของ จุดเชื่อมต่อ Nจุด เมื่อรวมกับค่าคงที่ทางฟิสิกส์จะให้ค่าอุณหภูมิสัมบูรณ์

การปิดกั้นคูลอมบ์ไอออนิก^{[ 8 ]} (ICB) เป็นกรณีพิเศษของ CB ซึ่งปรากฏในการขนส่งแบบอิเล็กโทรดิฟฟิวชันของไอออนที่มีประจุผ่านรูพรุนนาโนเทียมขนาดเล็กกว่านาโนเมตร^{[ 9 ]}หรือช่องไอออนทางชีวภาพ^{[ 10 ]} ICB มีความคล้ายคลึงกับคู่ทางอิเล็กทรอนิกส์ในควอนตัมดอต^[1] อย่างกว้างขวาง แต่มีคุณสมบัติเฉพาะบางประการที่กำหนดโดยค่าวาเลนซ์ z ของตัวนำประจุ ที่อาจแตกต่างกัน(ไอออนที่ซึมผ่านเทียบกับอิเล็กตรอน) และโดยต้นกำเนิดของกลไกการขนส่งที่แตกต่างกัน (อิเล็กโทรดิฟฟิวชันแบบคลาสสิกเทียบกับการอุโมงค์ควอนตัม)

ในกรณีของ ICB ช่องว่างคูลอมบ์ถูกกำหนดโดยพลังงานไดอิเล็กทริกของไอออนที่เข้ามาภายในรูพรุน/ช่องและดังนั้นจึงขึ้นอยู่กับค่าประจุz ของไอออน ICB ปรากฏให้เห็นอย่างชัดเจนแม้ในอุณหภูมิห้อง สำหรับไอออนที่มีค่า z สูงเช่นไอออน 12+${\displaystyle \Delta E}$$${\displaystyle \Delta E={\frac {z^{2}e^{2}}{2C}}}$$${\textstyle \Delta E}$${\textstyle (\เดลต้า อี\gg k_{\rm {B}}T)}$${\displaystyle z>=2}$${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$

ICB ได้รับการสังเกตจากการทดลองเมื่อเร็ว ๆ นี้ในรูพรุน ระดับนาโนเมตรย่อย ^{[ 9 ]}${\displaystyle {\ce {MoS2}}}$

ในช่องไอออนทางชีวภาพ ICB มักแสดงออกมาในรูปแบบปรากฏการณ์การเลือกวาเลนซ์ เช่นแถบการนำไฟฟ้า (เทียบกับประจุคงที่) และการปิดกั้นกระแสโซเดียมแบบสองวาเลนซ์ที่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้น^{[ 10 ] [ 11 ]}${\displaystyle {\text{Ca}}^{2+}}$${\displaystyle Q_{\rm {f}}}$

• การกำหนดปริมาณของประจุ
• การชาร์จขั้นพื้นฐาน

• หนังสืออิเล็กทรอนิกส์เดี่ยวเชิงคำนวณ
• การบรรยายออนไลน์เรื่องการปิดกั้นคูลอมบ์