Elektrische Präparation und Detektion von Vielteilchen-Zuständen in selbstorganisierten Quantenpunkten

Duisburg, Essen (2011), VI, 105 S.
Dissertation / Fach: Physik
Fakultät für Physik
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2011
Abstract:
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Kopplung zwischen nulldimensionalen selbstorganisierten Quantenpunkten und einem zweidimensionalen Loch- bzw. Elektronengas. Diese Kopplung zweier niedrigdimensionaler Nanostrukturen hat es erstmals ermöglicht, direkt die elektronische Tunneldynamik zwischen Quantenpunkten und einem 2D Ladungsträgersystem in einem zeitaufgelösten Experiment zu untersuchen. Die untersuchten nulldimensionalen Ladungssysteme wurden in eine epitaktisch gewachsene Transistor-Struktur eingebettet. Diese selbstorganisierten Indiumarsenid Quantenpunkte sind über eine isolierende Tunnelbarriere mit dem zweidimensionalen Elektronengas verbunden. So ist es möglich, gezielt einen Beladungszustand in den Quantenpunkten zu präparieren und durch eine Leitfähigkeitsmessung am 2D System zu detektieren. Auf Basis dieser zeitaufgelösten Messung wurde ein elektrisches Pump & Probe Experiment entwickelt, welches erlaubt, angeregte Vielteilchen-Spinzustände in selbstorganisierten Quantenpunkten zu präparieren und deren zeitliche Entwicklung zu erfassen. So konnte das elektronische Beladen der Quantenpunkte vom leeren bis zum vollständig gefüllten Quantenpunkt in der Zeitdomäne beobachtet werden. Die in dieser Arbeit konzipierte zeitaufgelöste Transportspektroskopie erlaubt neben der Untersuchung von Vielteilchen-Grundzuständen auch die Untersuchung von angeregten Vielteilchen-Zuständen mit einer wohldefinierten Anzahl von Ladungsgträgern. Diese Möglichkeit bestand bisher nur bei lithografisch definierten Quantenpunkten und gilt als Voraussetzung für den Einsatz dieser Systeme in der Quanteninformationsverarbeitung. Es konnten die Anregungsspektren von drei Quantenpunkt-„Elementen“ (Quantenpunkt-Wasserstoff, -Helium und -Lithium) in einem vollständig elektrischen Experiment gemessen und mit theoretischen Rechnungen verglichen werden. Insbesondere konnten quantenmechanische Nichtgleichgewichts- Spinzustände erstmals bis Temperaturen von über 30 K kontrolliert erzeugt werden; eine Temperatur, die mehr als zwei Größenordnung oberhalb der bisher erzielten Werte für lithografische Quantenpunkte liegt (etwa 100 mK). Basierend auf dieser neuen Methode der zeitaufgelösten Transportspektroskopie gelang es, Transportparameter des zweidimensionalen Elektronensystems wie Ladungsträgerdichte und Beweglichkeit separat voneinander zeitaufgelöst zu bestimmen. Es konnten Untersuchungen durchgeführt werden, die eindeutig den Einfluss der einzelnen Ladezustände der Quantenpunkte auf die Transportparameter des 2D Elektronengases, wie die Ladungsträgerkonzentration und Beweglichkeit, in einer zeitaufgelösten Messung quantifizieren konnten.