Mikrowellen-Untersuchungen von Halbleiter-Quanten-Punkten

In Halbleitern können mit modernen Strukturierungsmethoden Elektronen auf sehr kleine Raum-bereiche ("Quanten-Punkte") eingeschränkt werden. Diese sind eine Art Minilabor für viele grund-legende physikalische Phänomene. Ausgangsmaterial für die Herstellung ist eine dünne zweidimensionale Elektronenschicht an der Grenzfläche zweier Halbleiter. Die weitere Ein-schränkung auf quasi-nulldimensionale Quanten-Punkte erfolgt durch Ätzverfahren oder elektro-statische Methoden. Bei letzteren werden durch negativ geladene Gate-Elektroden die Leitungs-Elektronen unterhalb des Gates entfernt. So bleiben nur zwischen den Gates kleine Bereiche mit Elektronen, die den Strom leiten können, erhalten. Die Abmessung der Bereiche ist kleiner als ein Mikrometer. Spalte zwischen verschiedenen Gates erlauben eine Spannungs-kontrollierte Kopplung an die Umgebung, in anderen Worten einen Stromfluss durch den Quanten-Punkt. Im beantragten Projekt sollen Gate-definierte Quanten-Punkte unter dem Einfluß von Mikrowellen und Millimeterwellen-Strahlung (ca. 20 - 170 Gigahertz) und in hohen magnetischen Feldern (bis 17 Tesla) untersucht werden. 1) Ladungseffekte und Coulomb-Blockade: Aufgrund der Kleinheit der Kapazität des Quanten-Punkts ist die Ladeenergie für ein einzelnes Elektron groß. Dadurch kann nur bei bestimmten Gate-Spannungen ein zusätzliches Elektron durch den Quanten-Punkt fliessen, dazwischen ist der Elektronen-Fluss durch Aufladung blockiert ("Coulomb-Blockade"). Diese Effekte sollen in sehr hohen Magnetfeldern, bei denen auch der fraktionale Quanten-Halleffekt im zweidimensionalen Elektronengas auftritt, erstmals untersucht werden. 2) Elektron-Spinresonanz: Der Spin des Elektrons ist eine Eigenschaft, die in Halbleitern durch komplexe Wechselwirkungen beeinflusst wird. Die geplante Spinresonanz bei Mikrowellen-Frequenzen erlaubt eine sehr direkte Untersuchung der Spin- Eigenschaften, insbesondere der Wechselwirkung zwischen den Elektronen. 3) Fluktuationen des elektrischen Leitwerts: Die Elektronen-Bewegungen im Quanten-Punkt können vereinfacht als ballistische Bahnen betrachtet werden, die an den Begrenzungen reflektiert werden. Trifft eine Mehrzahl von Bahnen durch den Ausgangsspalt, so ist der Leitwert erhöht, trifft sie durch den Eingangsspalt, so ist der Leitwert erniedrigt. Mit Mikrowellen-Einstrahlung sollen diese Leitwert-Fluktuationen gezielt verändert und so die zugrunde liegenden Mechanismen studiert werden.

In Halbleitern können mit modernen Strukturierungsmethoden Elektronen auf sehr kleine Raum-bereiche ("Quanten-Punkte") eingeschränkt werden. Diese sind eine Art Minilabor für viele grund-legende physikalische Phänomene. Ausgangsmaterial für die Herstellung ist eine dünne zweidimensionale Elektronenschicht an der Grenzfläche zweier Halbleiter. Die weitere Ein-schränkung auf quasi-nulldimensionale Quanten-Punkte erfolgt durch Ätzverfahren oder elektro-statische Methoden. Bei letzteren werden durch negativ geladene Gate-Elektroden die Leitungs-Elektronen unterhalb des Gates entfernt. So bleiben nur zwischen den Gates kleine Bereiche mit Elektronen, die den Strom leiten können, erhalten. Die Abmessung der Bereiche ist kleiner als ein Mikrometer. Spalte zwischen verschiedenen Gates erlauben eine Spannungs-kontrollierte Kopplung an die Umgebung, in anderen Worten einen Stromfluss durch den Quanten-Punkt. Im beantragten Projekt sollen Gate-definierte Quanten-Punkte unter dem Einfluß von Mikrowellen und Millimeterwellen-Strahlung (ca. 20 - 170 Gigahertz) und in hohen magnetischen Feldern (bis 17 Tesla) untersucht werden. 1. Ladungseffekte und Coulomb-Blockade: Aufgrund der Kleinheit der Kapazität des Quanten-Punkts ist die Ladeenergie für ein einzelnes Elektron groß. Dadurch kann nur bei bestimmten Gate-Spannungen ein zusätzliches Elektron durch den Quanten-Punkt fliessen, dazwischen ist der Elektronen-Fluss durch Aufladung blockiert ("Coulomb-Blockade"). Diese Effekte sollen in sehr hohen Magnetfeldern, bei denen auch der fraktionale Quanten-Halleffekt im zweidimensionalen Elektronengas auftritt, erstmals untersucht werden. 2. Elektron-Spinresonanz: Der Spin des Elektrons ist eine Eigenschaft, die in Halbleitern durch komplexe Wechselwirkungen beeinflusst wird. Die geplante Spinresonanz bei Mikrowellen-Frequenzen erlaubt eine sehr direkte Untersuchung der Spin-Eigenschaften, insbesondere der Wechselwirkung zwischen den Elektronen. 3. Fluktuationen des elektrischen Leitwerts: Die Elektronen-Bewegungen im Quanten-Punkt können vereinfacht als ballistische Bahnen betrachtet werden, die an den Begrenzungen reflektiert werden. Trifft eine Mehrzahl von Bahnen durch den Ausgangsspalt, so ist der Leitwert erhöht, trifft sie durch den Eingangsspalt, so ist der Leitwert erniedrigt. Mit Mikrowellen-Einstrahlung sollen diese Leitwert-Fluktuationen gezielt verändert und so die zugrunde liegenden Mechanismen studiert werden.