Helikale Zustände in verspannten ultradünnen Ge-Nanodrähten

Ge gilt als ein vielversprechendes Material für die Realisierung von Spin-Qubits aufgrund der Abwesenheit der Hyperfeinwechselwirkung in isotopisch gereinigten Proben. Kürzlich wurde außerdem durch Rechnung gezeigt, dass Ge/Si (Kern/Schale) Nanodrähte ein interessantes System zur Realisierung helikaler Zustände in einem Halbleiter darstellen. Um diese helikalen Zustände in Ge zu realisieren, müssen zwei Bedingungen erfüllt werden: a) das Kristallgitter muss verspannt sein, und b) der eindimensionale Leiter muss sehr dünn sein. In diesem Projekt wollen wir ein einzigartiges Material untersuchen, das erst vor kurzem entwickelt worden ist: kohärent verspannte, ultradünne Ge Nanodrähte, die monolithisch auf Si Oberflächen gewachsen sind. Wir wollen verstehen, ob das untersuchte Material Potenzial im Bereich der Majorana-Physik hat. Durch die Kombination von Experimenten und Theorie wollen wir ein detailliertes Verständnis des Systems erlangen. Hierfür werden wir den Einfluss der Verspannung auf die relevanten Parameter für die Majorana-Fermionen-Physik studieren. Diese Parameter sind der Landé-Tensor, die Spin-Bahn-Aufspaltung des Bandes (aufgrund struktureller Inversionsasymmetrie) und die durch Nähe zu einem Supraleiter induzierte Energielücke in den Nanodrähten. Das endgültige experimentelle Ziel dieses Projekts ist, unter Aufsicht der Theoriegruppe Anzeichen von Majorana- Fermionen in einen mit einem s-Wellen-Supraleiter gekoppelten Ge Nanodraht zu erkennen.

Es ist unmöglich, sich das moderne Leben vorzustellen, ohne an die große Menge an mikroelektronische Anwendungen zu denken, die uns umgeben. So eine Entwicklung ist nur mit dem Aufkommen der Halbleitertechnologie möglich geworden. Die Halbleiterindustrie war, ist und wird auch in den kommenden Jahren ein grundlegender Baustein der Weltwirtschaft sein. Nach Angaben der Semiconductor Industry Association, hält sie auf dem Weltmarkt einen Anteil von ca. 305.Mrd.$ im Jahr 2013 und geschätzte 355 Mrd. $ im Jahr 2016. Doch der europäische Anteil im Jahr 2013 war nur 9%, mit einem Abwärtstrend in den letzten 10 Jahren. Es ist also wichtig, neue Konzepte einzuführen.Dieses Projekt hat sich mit der Entwicklung solcher neuer Konzepte in der Nanoelektronik beschäftigt. Insbesondere war es das Ziel, die Kenntnisse über die Eigenschaften vom Spin, einer quantenmechanischen Eigenschaft der meisten Elementarteilchen, zu erweitern. Durch die Verwendung des Spins der Ladungsträger in einem Halbleiter könnte man in Zukunft in der Lage sein, Qubits zu schaffen, das Quanten-Analog der klassischen Bits. In diesem Projekt konzentrierten wir unsere Anstrengungen auf die grundlegenden Eigenschaften der Spins, die in sehr dünnen Germanium-Nanostrukturen lokalisiert sind.Unsere Untersuchungen ergaben, dass die ultradünnen Nanostrukturen, die wir studiert haben, aussichtsreiche Kandidaten für die Realisierung solcher Spin-Qubits sind. Insbesondere zeigten elektronische Transportmessungen bei niedriger Temperatur, dass ein Spin je nach Richtung des angelegten Magnetfelds anders reagiert. Eine solche Eigenschaft ist wichtig, um die nachteilige Wirkung des Magnetfeldes der Kerne auf die Spins zu reduzieren. Darüber hinaus haben wir während der Dauer des Projekts einen aufwändigen Prozess entwickelt, um neuartige Strukturen auf piezoelektrischen Substraten zu integrieren. Ein solcher Ansatz könnte in Zukunft die grundlegenden elektronischen Eigenschaften von nanometerkleinen Transistoren beeinflussen, die bisher vor allem während des Wachstums der Materialien bestimmt werden.