Electron Transport in Nanowire Quantum Devices

Abstract: Popular Abstract in Swedish I den här avhandlingen studeras de elektriska egenskaperna hos nanotrådar av halvledarmaterial. En halvledare är ett mellanting av en ledare och en isolator, där den elektriska ledningsförmågan kan styras både genom att förorena materialet med andra ämnen och genom att påverka materialet med ett elektriskt fält. I princip all modern elektronik bygger på komponenter av halvledare, där dessa egenskaper utnyttjas. Den snabba utveckling av elektronisk utrustning, till exempel datorer, som skett under det senaste tiotalet år bygger på möjligheten att minska storleken på dess halvledarkomponenter. Samtidigt vet man att det finns en gräns där storleken blir så liten att de elektriska egenskaperna hos komponenten börjar ändras. Nanotrådar har en diameter som är mindre än 100 nanometer, vilket är en tiotusendel av en millimeter, och en längd i storleksordningen en mikrometer, vilket är en tusendels millimeter. Det har visat sig vara möjligt att tillverka nanotrådar av många olika halvledarmaterial, på en bas av billig kiselkristall. På så sätt är det möjligt att tillverka små halvledarkomponenter av bättre men dyrare material ovanpå ett billigt material. Vi har undersökt nanotrådar av indiumantimonid, vilket är ett av de bästa halvledarmaterialen som finns att tillgå för att tillverka snabba komponenter. På grund av nanotrådens ringa diameter kan inte elektronerna röra sig så mycket i sidled, utan mest längs med nanotråden. Genom att begränsa elektronernas utrymme även i längsled i nanotråden, kan man tillverka mycket små öar av halvledarmaterial. När dessa placeras i en elektrisk krets kommer det faktum att en elektrisk ström består av enskilda elektroner att märkas. I och med öarnas ringa storlek kan det gå åt så mycket energi att föra dit fler elektroner att strömmen blockeras. Genom att påverka komponenten med ett elektriskt fält kan man hitta tillstånd där ön har exakt en halv för mycket eller för lite elektron i sig, och då kan elektronantalet skifta mellan två olika värden. Därmed kan strömmen åter flyta, en elektron åt gången. I avhandlingen har vi studerat hur man, med hjälp av nanotrådar av indiumarsenid, kan tillverka snabba datorminnen som baseras på sådana komponenter. När halvledaröarna görs riktigt små, börjar elektronernas så kallade vågegenskaper synas. Detta innebär att elektronerna på samma sätt som i en atom, endast kan anta vissa specifika energier när de befinner sig på ön. Dessa elektriska komponenter brukar kallas konstgjorda atomer eller kvantprickar, där man då syftar på kvantiseringen av elektronens energi. Då man utsätter en kvantprick för ett starkt magnetfält märker man varje elektronenergi delar sig till två olika värden. Detta beror på att elektronerna i kvantpricken har en extra egenskap, förutom den elektriska laddningen, nämligen spinn. Denna egenskap kan anta två olika värden, spinn-upp eller spinn-ner, och beroende på vilken av dessa två värden elektronen har påverkas den olika av det magnetiska fältet. Just i halvledarmaterialet indiumantimonid påverkas elektronerna väldigt mycket av magnetfältet. Vi har därför undersökt egenskaperna hos kvantprickar tillverkade av nanotrådar av indiumantimonid, och bland annat mätt exakt hur mycket elektronerna påverkas av ett magnetiskt fält. I en kvantprick där elektronerna väldigt lätt kan ta sig till och från ön, är det möjligt för en elektron att vistas en kort tid på ön utan att ha en energi som passar in. Det gör att en liten ström kan flyta genom komponenten, trots att den borde vara blockerad. Beroende på vilket spinn elektronerna på ön har, kan sannolikheten för att en ström ska flyta vara annorlunda. Vi har undersökt dessa egenskaper hos kvantprickar tillverkade av indiumantimonid. Med hjälp av denna undersökning har vi även kunnat studera hur elektronens spinn påverkas av elektronens rörelse i kvantpricken. När man kyler ner vissa metaller till låga temperaturer, kan de bli supraledande. Detta innebär att de leder ström utan något som helst motstånd. Man vet sedan tidigare att när ett annat ämne befinner sig i närheten av en supraledare, kan supraledningen spridas över till det andra materialet. I denna avhandling har vi undersökt vad som händer när man gör två supraledande kontakter till en nanotråd av indiumantimonid. Vi har funnit att supraledningen kan spridas även till detta material. Vi har även undersökt hur en ström reflekteras mot ytan mellan indiumantimonid och ett supraledande material. Oftast är elektronik baserad på kvantprickar väldigt långsam, men man vet sedan tidigare att det går att kombinera dessa komponenter med annan snabbare elektronik och på så sätt öka hastigheten. I denna avhandling har vi visat att det är möjligt att göra detta även med kvantprickar tillverkade av nanotrådar av indiumarsenid. På så sätt har vi lyckats mäta hur elektronerna i dessa beter sig vid höga elektriska frekvenser.