مقاله پژوهشی: طراحی و شبیه‌سازی مالتی پلکسر 4 به 1 با استفاده از حلقه‌های کوانتومی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموختۀ کارشناسی ارشد مهندسی برق، گروه مهندسی برق، واحد دماوند، دانشگاه آزاد اسلامی، دماوند، ایران. مرکز تحقیقات انرژی‌های تجدیدپذیر، واحد دماوند، دانشگاه آزاد اسلامی، دماوند، ایران

2 استادیار، مهندسی برق، گروه مهندسی برق، واحد دماوند، دانشگاه آزاد اسلامی، دماوند، ایران. مرکز تحقیقات انرژی‌های تجدیدپذیر، واحد دماوند، دانشگاه آزاد اسلامی، دماوند، ایران

چکیده

در این مقاله با استفاده از چهار حلقه کوانتومی که از هر یک حلقه­ها شار مغناطیسی  عبور کرده است، یک مدار مالتی پلکسر 4 به 1 دودویی طراحی شده است. حلقه­های کوانتومی به صورت سری به یکدیگر متصل شده­اند. این آرایش از دو طرف به طور متقارن به الکترودهای نیمه بی­نهایت فلزی منبع و درآشامنده متصل شده­اند و ولتاژهای دروازه نیز به عنوان ورودی­ها به نقاط مشخصی از حلقه­ها اعمال شده است. خطوط انتخاب داده نیز با استفاده از دو ولتاژ دروازه اعمالی به نقاط اتمی روی حلقه­ها مشخص می­شود. هامیلتونی دستگاه متشکل از حلقه­های کوانتومی و الکترودها با استفاده از روش بستگی قوی تقریب زده شد و جریان عبوری از دستگاه تحت تأثیر ولتاژ اعمالی بین منبع و درآشامنده با استفاده از روش تابع گرین غیرتعادلی و به ازای مقادیر شدت جفت شدگی قوی و ضعیف بین حلقه­ها و الکترودها محاسبه شده است. منحنی مشخصه جریان- ولتاژ به ازای مقادیر مختلف ولتاژهای دروازه اعمال شده محاسبه شده است. با نسبت دادن مقادیر 0 و 1 به ترتیب به شدت جریان­های صفر و غیر­صفر به عنوان خروجی دستگاه و هم­چنین ولتاژهای اعمالی صفر و غیر­صفر دروازه به عنوان ورودی­های دستگاه، جداول درستی مربوط به این مدار محاسبه شده است. نتایج نشان می­دهند که این مدار کوانتومی همانند مدار یک مالتی پلکسر4 به 1 دودویی رفتار می­کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Research Paper: Design and Simulation of a 4:1 Multiplexer Using Quantum Rings

نویسندگان [English]

  • Amir Taghavi Motlagh 1
  • Hojjatollah Khajeh salehani 2
1 M. Sc. Graduated, Department of Electrical Engineering, Damavand Branch, Islamic Azad University, Damavand, Iran. Renewable Energy Research Center, Damavand Branch, Islamic Azad University, Damavand, Iran.
2 Assistant Professor, Department of Electrical Engineering, Damavand Branch, Islamic Azad University, Damavand, Iran. Renewable Energy Research Center, Damavand Branch, Islamic Azad University, Damavand, Iran
چکیده [English]

In this paper, a 4 to 1 multiplexer circuit is designed with four quantum rings where each ring is threaded by a constant magnetic flux  .  The quantum rings are connected to each other in series. They are attached symmetrically to two semi-infinite one-dimensional metallic electrodes, namely, source and drain, and four gate voltages are applied to the specific atomic sites of the quantum rings as four inputs of the multiplexer and also two other gate voltages are applied as the select lines. The Hamiltonian of the full system, i.e., the quantum rings, source and drain, are approximated by the tight-binding model, and the calculations are performed by using the Green’s function formalism for the strong and weak coupling between the quantum rings and the source and drain electrodes. The drain output current is calculated by using the Landauer formula as a function of the applied bias voltage. The truth tables of the multiplexer are obtained by assigning the 0 and 1 values to zero and non-zero drain current for different values of the data inputs on the basis of the values of the selected lines. It is found that this quantum structure behaves as a binary 4 to 1 multiplexer.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Quantum Transport
  • Quantum ring
  • Multiplexer
  • Green function
[1] Alba, Vincenzo., "Entanglement and quantum transport in integrable systems." Physical Review B 97.24, 245135, 2018.
[2] Thoss, Michael, and Ferdinand Evers., "Perspective: Theory of quantum transport in molecular junctions." The Journal of chemical physics 148.3, 030901, 2018.
[3] Shedbalkar, Akshay, and Bernd Witzigmann., "Non equilibrium Green’s function quantum transport for green multi-quantum well nitride light emitting diodes." Optical and Quantum Electronics 50.2, 1-10, 2018.
[4] Ho, Nathan, and Clive Emary., "Counting statistics of dark-state transport through a carbon nanotube quantum dot." Physical Review B 100.24, 245414, 2019.
[5] Zhang, Hao, et al., "Next steps of quantum transport in Majorana nanowire devices." Nature communications 10.1, 1-7, 2019.
[6] Darehdor, Mahvash Arabi, Mahmood Rezaee Roknabadi, and Nasser Shahtahmassebi., "Effects of phonon scattering on the electron transport and photocurrent of graphene quantum dot structures." The European Physical Journal B 92.1, 1-8, 2019.
[7] Donarini, Andrea, et al., "Coherent population trapping by dark state formation in a carbon nanotube quantum dot." Nature communications 10.1, 1-8, 2019.
[8] Aviram, Arieh, and Mark A. Ratner., "Molecular rectifiers.," Chemical physics letters 29.2, 277-283, 1974.
[9] Maiti, Santanu K., "Electron transport in a double quantum ring: Evidence of an AND gate.," Physics Letters A 373.48, 4470-4474, 2009.
[10] Maiti, Santanu K., "NOR gate response in a double quantum ring: An exact result.," Solid state communications 149.47-48, 2146-2150, 2009.
[11] Maiti, Santanu K., "Quantum transport in a mesoscopic ring: Evidence of an OR gate." Solid state communications 149.39-40, 1684-1688, 2009.
[12] Maiti, Santanu K., "XOR gate response in a mesoscopic ring with embedded quantum dots." Solid state communications 149.39-40, 1623-1627, 2009.
[13] Maiti, Santanu K., "A mesoscopic ring as a XNOR gate: An exact result." Journal of the Physical Society of Japan 78.11, 114602-114602, 2009.
[14] Maiti, Santanu K., "NAND gate response in a mesoscopic ring: an exact result." Physica Scripta 80.5, 055704, 2009.
[15] Maiti, Santanu K., "A mesoscopic ring as a NOT gate: An exact result." Journal of Computational and Theoretical Nanoscience 7.3, 594-599, 2010.
[16] Khanzadi, H., and H. K. Salehani., "Design of basic logic gates by triple quantum rings." Journal of Nanoscience and Technology ,119-121, 2016.
[17] Al-Badry, Lafy F., "The electronic properties of concentric double quantum ring and possibility designing XOR gate." Solid State Communications 254, 15-20, 2017.
[18] Eslami, Leila, and Mahdi Esmaeilzadeh., "Spin-polarization and spin-dependent logic gates in a double quantum ring based on Rashba spin-orbit effect: Non-equilibrium Green's function approach." Journal of Applied Physics 115.8, 084307, 2014.
[19] Dehghan, E., D. Sanavi Khoshnoud, and A. S. Naeimi., "NAND/AND/NOT logic gates response in series of mesoscopic quantum rings." Modern Physics Letters B 33.34, 1950431, 2019.
[20] Cricchio, Dario, and Emilio Fiordilino., "Laser driven quantum rings: one byte logic gate implementation." RSC advances 8.7, 3493-3498, 2018.
[21] Cricchio, Dario, and Emilio Fiordilino., "Quantum ring in a magnetic field: High harmonic generation and not logic gate." Advanced Theory and Simulations 3.7, 2000070, 2020.
[22] Patra, Moumita, Alok Shukla, and Santanu K. Maiti., "Non-volatile reconfigurable spin logic device: parallel operations." Journal of Physics D: Applied Physics 54.9, 095001, 2020.
[23] Khan, Angshuman, et al., "Efficient multiplexer design and analysis using quantum dot cellular automata." 2016 IEEE Distributed Computing, VLSI, Electrical Circuits and Robotics (DISCOVER). IEEE, 2016.
[24] Khan, Angshuman, and Sikta Mandal., "Robust multiplexer design and analysis using quantum dot cellular automata." International Journal of Theoretical Physics 58.3, 719-733, 2019.
[25] Das, Biplab, Tapatosh Sadhu, and Debashis De., "Design of Multiplexer Using Actin Quantum Cellular Automata." 2020 IEEE VLSI DEVICE CIRCUIT AND SYSTEM (VLSI DCS). IEEE, 2020.
[26] Rahmani, Yaser, Saeed Rasouli Heikalabad, and Mohammad Mosleh., "Design of a New Multiplexer Structure Based on a New Fault-Tolerant Majority Gate in Quantum-Dot Cellular Automata." (2021).
[27] Almatrood, Amjad, Aby K. George, and Harpreet Singh., "Low-Power Multiplexer Structures Targeting Efficient QCA Nanotechnology Circuit Designs." Electronics 10.16, 1885, 2021.
[28] Mano, M. Morris, and Michael Ciletti. Digital design: with an introduction to the Verilog HDL. Pearson, 2013.
[29] Datta, Supriyo. Quantum transport: atom to transistor. Cambridge university press, 2005.