Устройство для обнаружения магнитного поля

Изобретение касается устройства для обнаружения магнитного поля. Полупроводниковое устройство содержит квантовый волновод в виде однородного проводящего элемента, выполненного из проводника или высокодопированного полупроводника, с областями истока и стока и размещенной между ними резонансной областью, включающей один квантовый резонатор или систему из двух последовательно установленных квантовых резонаторов, образованных сужениями квантового волновода, квантовые резонаторы выполнены с обеспечением бесстолкновительного режима движения электронов от истока к стоку, а также источник напряжения, соединенный с областью истока и областью стока электрическими контактам, и измерительное устройство в цепи источника напряжения, при этом в качестве характеристики квантовых резонаторов выбраны величины уровней их резонансных энергий Eres электрона; в качестве характеристики истока и стока выбраны величины энергии уровня Ферми EFs и EFd соответственно; при этом длину и диаметр одиночного резонатора выбирают из условия выполнения соотношений Eres>EFs+kBT или соотношения Eres<EFd-kBT, а в системе двух резонаторов их длины и диаметры первого и второго резонаторов выбраны из условия совпадения их уровней резонансной энергии (Eres1, Eres2) при выполнении соотношения EFd<Eres1=Eres2<EFs, или из условия различия уровней резонансной энергии (Eres1, Eres2) при одновременном выполнении условий: Eres1-Eres2>max[ΔEres1, ΔEres2], где ΔEres1, ΔEres2 - ширина первого и второго уровней резонансной энергии соответственно, где kB - постоянная Больцмана, Т - температура. Технический результат - повышение чувствительности измерений, а также уменьшение термочувствительности устройства. 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Настоящее изобретение касается устройства для обнаружения магнитного поля.

На Фиг. 1а приведен пример волновода 100 с одним сужением 101. В баллистическом (бесстолкновительном) режиме в цилиндрическом квантовом волноводе 100 кинетическая энергия электрона Е является суммой Е=E_t+E_l, где E_t - квантованная энергия поперечного движения электрона, а E_l - энергия продольного движения. Спектр энергии E_t образован последовательностью дискретных величин энергии Е=E_t(n), где n=1,2,…. E_t(n), возрастающих соответственно номеру n,

E_t(1)>0,

,

где m* - поперечная эффективная масса электрона, d - диаметр поперечного сечения волновода 100. В общем случае электроны с одной и той же полной энергией Е могут находиться в состояниях с различными поперечными энергиями (различные n).

Если поперечное сечение волновода меняется вдоль оси волновода, то можно считать, что приближенно выполняется соотношение Е=E_t+E_l. Если диаметр d волновода 100 уменьшается, то дискретная величина энергии поперечного движения электрона E_t возрастает. Полная энергия Е остается постоянной, поэтому энергия продольного движения E_l уменьшается, что эквивалентно возникновению потенциального барьера для продольного движения электрона. Пример такого потенциального барьера представлен на Фиг. 1б, на которой направление оси x совпадает с направлением оси волновода.

В областях, где диаметр волновода d возрастает, формируется потенциальная яма. Таким образом, меняя поперечное сечение волновода, можно создавать требуемую структуру потенциала. Такую структуру можно получить, например, послойным напылением различных материалов. Однако в этом случае влияние процессов неупругого рассеяния на границе раздела различных материалов приведет к существенному уменьшению длины свободного пробега электронов.

Если E_t(n)>Е, то электрон отражается от барьера с вероятностью, близкой к 1 (при малой вероятности прохождения под барьером).

На Фиг. 2а представлен квантовый волновод 200 с двумя сужениями 201, 202. Если имеются два сужения 201, 202 в квантовом волноводе 200, то область 203 между сужениями играет роль резонатора 204. Если высоты потенциальных барьеров превышают энергию электрона, возникает явление резонансного туннелирования электронов через резонатор 204. На Фиг. 2б приведены примеры барьеров потенциала и уровней резонансной энергии (RL) в случае двух сужений в волноводе.

Явление резонансного туннелирования состоит в том, что для электрона с энергией Е вероятность Т(Е) пройти из одной части волновода в другую через резонатор имеет острый пик при Е=E_res (возможно даже Т(E_res)=1), где E_res обозначает «резонансную» энергию. Величины резонансной энергии практически совпадает с энергией квазиуровней в потенциальной яме, созданной сужениями. Ширина резонансного пика зависит, например, от диаметра и формы сужений.

На Фиг. 3а представлена рассчитанная зависимость коэффициента прохождения электрона через резонатор Т в зависимости от безразмерной величины k~Е^1/2. Геометрия и размеры резонатора представлены на Фиг. 3б. Длина волновода 11 может быть, например, 10-30 нм, а ширина сужения может быть, например, 5 нм. Даже для такого широкого сужения (0.55 диаметра волновода) на графике Т видны два резонансных пика при k≈7.5 и k≈8.7. Для k>9.6 энергия электронов, падающих на резонатор, превосходит высоту потенциального барьера, так что T(k)≈1. Слабые осцилляции на графике T(k) при k>9.6 связаны с эффектом надбарьерного отражения электронов. Ширина резонансных пиков резко уменьшается с уменьшением диаметра d сужений. Параметры системы были выбраны таким образом, что энергия Е электронов, падающих на резонатор, удовлетворяет соотношению E_t(1)<Е<E_t(2). Если Е>E_t(2), то возникает эффект многоканального рассеяния электрона на барьере. При этом на входе в резонатор, вследствие рассеяния на потенциальном барьере, электронная волна с некоторой вероятностью меняет свое поперечное квантовое число и, соответственно, свою продольную энергию. Может быть так, что условия резонансного туннелирования будут выполнены для вновь возникшего состояния. Существует вероятность, что на выходе из резонатора электрон, в результате рассеяния (на втором барьере) вернется в исходное состояние. В результате зависимость T(k) может стать более сложной. По этой причине оптимальными для использования являются энергии электрона, лежащие в диапазоне E_t(1)<Е<E_t(2).

Для управления потоками электронов возможно использование электрических полей, создаваемого в резонаторе внешними электродами. Влияние такого электрического поля приводит к сдвигу уровней резонансной энергии на величину, равную средней потенциальной энергии взаимодействия электрона с полем внутри резонатора.

Усилители, основанные на явлении резонансного туннелирования в квантовых волноводах с сужениями были предложены в патенте №121489 (Финляндия). В этих устройствах потоком электронов управляло электрическое поле, создаваемое внешними электродами.

Целью изобретения является создание простого в реализации устройства для регистрации магнитного поля. Характерные особенности данного устройства приведены в п. 1 формулы изобретения.

Изобретение может быть реализовано несколькими различными путями. В соответствии с первым примером используется один резонатор, при этом устройство весьма просто в реализации. В соответствии со вторым примером используются два резонатора, за счет чего улучшаются температурные свойства (уменьшается термочувствительность). Данные устройства можно применять, например, в читающих головках устройств хранения информации, а также в датчиках магнитного поля. Другие дополнительные преимущества, достигаемые с помощью изобретения, представлены в описании, а их отличительные особенности - в соответствующих пунктах формулы изобретения.

Изобретение, которое не ограничивается представленными далее примерами, более подробно поясняется чертежами, на которых представлены:

Фиг. 1а пример волновода с одним сужением,

Фиг. 1б пример потенциального барьера для волновода по Фиг. 1а, Фиг. 2а пример волновода с двумя сужениями,

Фиг. 2б пример потенциальных барьеров для волновода по Фиг. 2а и резонансных уровней,

Фиг. 3а расчетная зависимость коэффициента прохождения Т в зависимости от безразмерной величины k ~ Е^1/2,

Фиг. 3б геометрия резонатора, для которого выполнены расчеты, представленные на Фиг. 3а,

Фиг. 4 схема устройства, имеющего один резонатор, Фиг. 5а-5г результаты вычислений для устройства по Фиг. 4,

Фиг. 6а, 6б диаграмма энергетических уровней первого примера устройства по Фиг. 4 для обнаружения магнитного поля,

Фиг. 7а, 7б диаграмма энергетических уровней второго примера устройства по Фиг. 4 для обнаружения магнитного поля,

Фиг. 8 схема устройства, имеющего два резонатора,

Фиг. 9а, 9б диаграмма энергетических уровней первого примера устройства по Фиг. 8 для обнаружения магнитного поля,

Фиг. 10а, 10б диаграмма энергетических уровней второго примера устройства по Фиг. 8 для обнаружения магнитного поля.

На Фиг. 4 представлена схема устройства 10 в соответствии с первым примером. В изобретении магнитное поле, локализованное в резонаторе 21, влияет на поток электронов, проходящий по протяженному квантовому волноводу 11. Если в резонаторе 21 существует магнитное поле напряженностью Н, то резонансная энергия E_res резонатора 21 возрастает соответственно величине µН для электронов, направление спина которых совпадает с направлением вектора магнитного поля В и уменьшается соответственно величине µ Н для электронов, спин которых имеет противоположное направление. Здесь µ - величина спинового магнитного момента электрона. В результате любой уровень резонансной энергии E_res в резонаторе 21 расщепляется на два уровня. Если магнитное поле В занимает только часть резонатора 21, то резонансные уровни сдвигаются на величину меньшую, чем µH.

Параметры резонансного туннелирования в резонаторе 21 в магнитном поле рассмотрим применительно к одному из примеров. Предположим, что вектор однородного магнитного поля перпендикулярен оси резонатора, диаметр области 16 резонатора 21, занятой магнитным полем, составляет около 0.4 от диаметра резонатора 21, а центр области 16 совпадает с центром резонатора 21. На Фиг. 5а представлена расчетная зависимость уровня резонансной энергии $$E_{res}=k_{res}^2$$ от Н для электронов, направление спина которых совпадает с вектором магнитного поля В. При 0<Н<10 эта зависимость практически линейна, $$k_{res}^2=A+KH$$ . В этом же диапазоне $$E_{res}=k_{res}^2$$ для электронов с противоположной ориентацией спина выполняется соотношение $$k_{res}^2=A-KH$$ . Зависимость коэффициента вероятности перехода T на резонансе при $$k^2=k_{res}^2\left(H\right)$$ от Н представлена на Фиг. 5б. Для 0<Н<10 величина Т практически не зависит от Н и Т ≈ 1. Крутое уменьшение Т для Н>15 является следствием эффекта Ааронова-Бома (влияние магнитного поля на фазу волновой функции различно для электронов, обходящих область магнитного поля с разных сторон). Фиг. 5в представляет коэффициенты вероятности перехода в зависимости от энергии (резонансная кривая), а Фиг. 5г изображает ширину максимума резонансной кривой на полувысоте в зависимости от напряженности магнитного поля. Вычисления показывают, что ширина резонанса резко уменьшается при уменьшении диаметра сужений в волноводе.

Потоками электронов управляли с помощью достаточно малых магнитных полей (в безразмерных единицах 0<H<10). В этом случае эффектом Ааронова-Бома можно пренебречь.

Устройство 10 для обнаружения магнитного поля В может выполнено, по крайней мере, двумя путями. На Фиг. 4 представлена первая реализация устройства, в котором устройство 10 выполнено с одним резонатором 21. На Фиг. 8 представлена вторая реализация устройства 10, с двумя резонаторами 21, 19. Здесь устройство 10 означает подсистему, сформированную в квантовом волноводе 11, который может быть частью электрической цепи или системы более высокого уровня.

На Фиг. 4 представлен пример прибора с одним резонатором для регистрации магнитного поля, т.е. магнитного потока. Устройство 10 включает квантовый волновод 11 с контактами истока и стока 12, 13 и выходами с них 12′, 13′. Контакты 12, 13 могут быть металлическими инжектирующими контактами. Источник напряжения 20 связан с контактами истока и стока 12, 13. Напряжение U, создаваемое источником напряжения, может быть, например, 0.1 В. Данное напряжение U необходимо для создания движения электронов от истока 12 к стоку 13. Другими словами, между истоком 12 и стоком 13 приложено ускоряющее напряжение U.

Квантовый волновод 11 может быть изготовлен из высокоомного полупроводника. Размеры и материал волновода 11 выбирают таким образом, чтобы обеспечить баллистический, т.е. бесстолкновительный режим движения электронов от истока 12 к стоку 13 в зоне проводимости. Устройство 10 пригодно для регистрации магнитных полей, локализованных в областях наноразмеров.

Волновод 11 имеет два сужения 14, 15. Область между этими сужениями 14, 15 является квантовым резонатором 21. Ширина сужений 14, 15 выбирается таким образом, чтобы область между сужениями 14, 15 служила квантовым резонатором 21 для электронов, инжектированных из истока 12 и движущихся к контакту стока 13 в баллистическом, т.е. бесстолкновительном режиме.

Сужения 14, 15 могут быть выполнены, например, с помощью электронной литографии или рентгеновской литографии. Поперечное сечение волновода выбирается таким образом, чтобы выполнялось соотношение E_res-E_F>>k_BT, где E_F - уровень энергии Ферми в контактах 12, 13. Таким образом, отсутствуют электроны с энергией Е>E_res, которые могли бы войти в волновод 11. Здесь k_B - постоянная Больцмана, Т - температура.

Кроме того, устройство 10 включает средство анализа 17 для детектирования измеряемого магнитного поля в области 16. Средства анализа могут включать, например, измеритель тока 17, соединенный последовательно с источником напряжения 20. Измеритель 17 необходим для регистрации магнитного поля В по току через резонатор 21. Ток будет появляться или исчезать, когда магнитное поле воздействует на резонатор 21.

Теоретически плотность тока J в системе определяется выражением

,

интегрирование проводится по энергиям электронов, выходящих из истока 12, g(E) - плотность состояний в недеформированном квантовом волноводе, ν(E) - скорость электронов вдоль оси волновода, Т(Е) - вероятность пройти сквозь резонатор 21 для электрона, обладающего энергией Е. Наконец, f_S(E) - функция Ферми для электронов в истоке 12, f_D(E) - то же для электронов в стоке 13.

Геометрия резонатора 21, например, его длина, может быть выбрана таким образом, что резонансный уровень E_res в резонаторе 21 удовлетворяет неравенству E_res>E_Fs+k_BT, где E_Fs - энергия Ферми в истоке 12. Другими словами, уровень резонансной энергии E_res в резонаторе 21 на величину ΔЕ превосходит уровень Ферми E_Fs в истоке 12, а величина ΔЕ>k_BT. Соответствующая ситуация представлена на Фиг. 6а. В этом случае в устройстве 10 практически отсутствует ток, так как в отсутствие магнитного поля В в падающем потоке отсутствуют электроны, которые могли бы пройти через резонатор 21 от истока 12 (f_S(E) ≈ 0 при E>E_Fs+k_BT).

Уровень резонансной энергии E_res расщепляется на два уровня E_res+ и E_res- когда магнитное поле В приложено к области 16 резонатора 21. На Фиг. 6б представлена соответствующая ситуация. Для электронов, выходящих из истока 12, направление спина которых совпадает с направлением вектора магнитного поля $$\overrightarrow{B}$$ , уровень резонансной энергии E_res возрастает до величины E_res+. Для электронов из истока 12, направление спина которых противоположно направлению вектора магнитного поля $$\overrightarrow{B}$$ , резонансный уровень E_res понижается до величины E_res-. При некоторой напряженности поля резонансный уровень E_res- в резонаторе 21 для электронов с направлением спина, противоположным вектору $$\overrightarrow{B}$$ , достигает уровня Ферми E_Fs в истоке 12 и попадает в область энергий E_Fd+k_BT<E_res-<E_Fs+k_BT, при этом возникает ток через резонатор 21.

Устройство 10 представленное на Фиг. 4 может быть реализовано также другим путем. Если геометрия резонатора 21, например, его длина, выбрана таким образом, что в отсутствие магнитного поля В в области 16 резонатора 21 резонансный уровень E_res электронов лежит в области энергий E_Fd-E_res>k_BT, где E_Fd - энергия Ферми в стоке 13, ток также отсутствует. На Фиг. 7а представлена соответствующая ситуация. Иными словами, уровень резонансной энергии E_res в резонаторе 21 находится ниже, чем уровень Ферми E_Fd в стоке 13, т.е. E_res<E_Fd при ΔЕ>k_BT. При этом опять ток в системе будет отсутствовать вследствие того, что все конечные состояния в стоке 13 заняты электронами.

Если магнитное поле $$\overrightarrow{B}$$ приложено к области 16 резонатора 21, резонансный уровень энергии E_res расщепляется на два уровня E_res+ и E_res-. На Фиг. 7б представлена соответствующая ситуация. На одном из этих уровней E_res+ резонансный уровень энергии E_res возрастает на величину µН для электронов, направление спина которых совпадает с направлением магнитного поля. Для электронов, направление спина которых противоположно направлению магнитного поля В, уровень резонансной энергии E_res понижается и становится равным E_res-. Для электронов, направление спина которых совпадает с направлением вектора магнитного поля, уровень E_res+ при определенном значении поля достигает снизу уровня Ферми E_Fd в стоке 13, и при некоторых величинах магнитного поля В достигает величины E_res+. Другими словами, когда E_Fs>E_res+>E_Fd, возникает ток через резонатор 21, вследствие того, что существуют уровни, не занятые электронами в стоке 13.

Однако регистрирующее устройство 10, основанное на вышеуказанных принципах, обладает рядом недостатков. Во-первых, такое устройство 10 обладает высокой термочувствительностью, то есть напряженность магнитного поля, при которой возникает ток в резонаторе, зависит от температуры: пороговая напряженность магнитного поля меньше при низких температурах. Во-вторых, даже при низких температурах пороговая напряженность магнитного поля достаточно велика: при Т ~10 K необходимое расщепление уровней резонансной энергии составляет величину примерно ~ k_BT, что составляет ~10^-3 эВ. Устройство обладает сравнительно низкой чувствительностью по магнитному полю. Причина этого состоит в том, что ток электронов возникает только в том случае, когда уровень резонансной энергии расщепляется на два уровня, отличающихся на величину ≥k_BT (для устройства с одним резонатором), и на величину ~|E_Fd-E_Fs|/2 для устройства с двумя резонаторами, описанными выше. Для устройства, представленного на Фиг. 7а и 7б, необходимое расщепление составляет ≥|E_F1-E_F2|=eU.

На Фиг. 8 представлен второй пример устройства 10 в соответствии с изобретением. Устройство 10 с двумя резонаторами 21, 19 не имеет вышеописанных недостатков. Устройство 10 подобно устройству по первому примеру, однако волновод 11 имеет три сужения 14, 15, 27, образующих квантовые резонаторы 21, 19, размещенных последовательно для прохождения электронов от истока 12 к стоку 13 в баллистическом, т.е. бесстолкновительном режиме. Магнитное поле В локализовано в области 28 резонатора 19. Второй резонатор 21 пропускает электроны, энергия которых лежит в заданном узком интервале, и действует как монохроматор.

В соответствии с первым примером геометрию, например, длину резонаторов 21, 19 выбирают такой, что уровни резонансной энергии E_res1, E_res2 резонаторов 21, 19 совпадали, будучи ниже уровня Ферми на входном контакте истока 12 и выше уровня Ферми на выходном контакте стока 13. Тогда в устройстве 10 протекает электрический ток при отсутствии магнитного поля В. Это раскрывает Фиг. 9а.

Геометрию, например, длину резонаторов 21, 19 выбирают такой, чтобы при приложении магнитного поля В к области 28 резонатора 19 в нем происходило расщепление уровня резонансной энергии E_res2 для электронов с противоположными спинами. Соответствующая ситуация показана на Фиг. 9б. За счет этого расщепленные резонансные уровни и ток исчезает. Иными словами, при воздействии поля В на резонатор 19 ток исчезает, когда при резонансном расщеплении уровней различие между новыми уровнями резонансной энергии E_res2+, E_res2- превышает ширину уровня резонансной энергии E_res1. Ширина уровня резонансной энергии E_res1, E_res2 определяется глубиной сужений 14, 15, 27.

Ширина пиков резонансных энергий может быть сделана очень узкой путем уменьшения диамеров сужений 14, 15, 27, при этом устройство 10 будет обладать высокой чувствительностью к магнитному полю. Однако сильное уменьшение ширины уровня (равносильное увеличению добротности квантового резонатора) приводит к некоторому изменению быстродействия устройства. Время нахождения электрона в квантовом резонаторе 19 пропорционально произведению времени пролета свободного электрона через резонатор 19 на добротность резонатора. Следовательно, увеличение добротности уменьшает быстродействие.

Еще один пример реализации представляет устройство с двумя резонаторами 21, 19, где магнитное поле В обнаруживает себя не прекращением, а увеличением тока. С этой целью геометрия, например, длины резонаторов 21, 19, выбирают такими, что в отсутствие магнитного поля В уровни резонансной энергии E_res1, E_res2 различны и разность между ними превышает их ширину; более того, оба уровня E_res1, E_res2 находятся между уровнями Ферми E_Fs, E_Fd на входном истоковом и выходном стоковом контактах 12, 13. Тогда, в отсутствии магнитного поля В в устройстве 10 ток отсутствует. Фигура 10а показывает эту ситуацию.

При наличии магнитного поля В уровень резонансной энергии Eres2 резонатора 19 расщепляется на E_res2+, E_res2- и при некоторой напряженности магнитного поля В один из этих новых уровней E_res2+ совпадает с уровнем резонансной энергии E_res1 другого резонатора 21, что приводит к увеличению тока в устройстве 10, регистрируемому средством анализа 17. Фиг. 10b показывает эту ситуацию. Уровни E_res1, E_res2- снова расходятся при увеличении напряженности поля В и ток прекращается. Фиксируя разность E_res1-E_res2 выбором геометрии резонаторов 21, 19, возможно настраивать устройство 10 для включения/выключения с помощью определенного магнитного поля В.

Выше сказано, что уровень резонансной энергии резонатора определялся длиной резонатора. Однако этот параметр можно определять и размерами и формой поперечного сечения волновода и формой концов резонатора (открывающим и закрывающим углами).

Примерами материалов волновода 11, в которых электроны находятся в баллистическом режиме, могут служить GaAs и AlGaAs. Длина L резонаторов 19, 21 связана с длиной волны де Бройля λ. При резонансном туннелировании выполняется равенство L=nλ (n=1, 2, 3…). Длина λ связана с энергией электрона и для GaAs равна приблизительно 1-5 нм. Это значит, что резонаторы 19, 21 могут иметь длину около 10 нм (возможно, меньше). Полная длина волновода 11 может быть порядка 20-30 нм: 5-10 нм волновода слева от резонатора + 10 нм резонаторов + 5-10 нм справа от резонатора. Длина свободного пробега электрона много больше этой длины, например, более 1000 нм (особенно при низких температурах).

Понятно, что вышеприведенное описание и соответствующие фигуры предназначены только для иллюстрации настоящего изобретения. Изобретение, таким образом, никак не ограничивается примерами реализации, раскрытыми или сформулированными как притязания, но для специалиста будет очевидна возможность многих других вариаций и адаптации изобретения в пределах новаторской идеи, сформулированной в притязаниях.

1. Полупроводниковое устройство, включающее квантовый волновод в виде однородного проводящего элемента, выполненного из проводника или высокодопированного полупроводника, с областями истока и стока и размещенной между ними резонансной областью, включающей один квантовый резонатор или систему из двух последовательно установленных квантовых резонаторов, образованных сужениями квантового волновода, квантовые резонаторы выполнены с обеспечением бесстолкновительного режима движения электронов от истока к стоку, а также источник напряжения, соединенный с областью истока и областью стока электрическими контактам, и измерительное устройство в цепи источника напряжения, отличающееся тем, что
- в качестве характеристики квантовых резонаторов выбраны величины уровней их резонансных энергий Eres электрона,
- в качестве характеристики истока и стока выбраны величины энергии уровня Ферми EFs и EFd соответственно,
- при этом длину и диаметр одиночного резонатора выбирают из условия выполнения соотношений Eres>EFs+kBT
- или соотношения Eres<EFd-kBT,
а в системе двух резонаторов их длины и диаметры первого и второго резонаторов выбраны из условия
совпадения их уровней резонансной энергии (Eres1, Eres2) при выполнении соотношения EFd<Eres1=Eres2<EFs,
или из условия различия уровней резонансной энергии (Eres1, Eres2) при одновременном выполнении условий:
Eres1-Eres2>max[ΔEres1, ΔEres2], где ΔEres1, ΔEres2 - ширина первого и второго уровней резонансной энергии соответственно,
где kB - постоянная Больцмана, Т - температура.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем что оно является устройством для измерения слабого магнитного поля.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что длина и диаметр одиночного резонатора и системы двух резонаторов выбраны при условии отсутствия воздействия магнитного поля на резонаторы.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что квантовый волновод выполнен из кремния или арсенида галлия GaAs и AlGaAs.

5. Устройство по п. 1 или 3, отличающееся тем, что длина квантового волновода составляет 20-30 нм, а длины квантовых резонаторов составляют 5-10 нм.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в системе из двух квантовых резонаторов один из них использован в качестве монохроматора для пропускания электронов с энергиями в заданном интервале энергий.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что геометрические размеры сужений в квантовом волноводе выбирают из условия образования потенциального барьера для продольного движения электронов с энергией выше энергии электрона с обеспечением резонансного туннелирования электронов через резонатор.