Linear and Nonlinear Transport in Quantum Nanostructures

Abstract: Popular Abstract in Swedish Den här avhandlingen beskriver elektrontransport i nanometerstora halvledarstrukturer vid mycket låga temperaturer (1 nanometer = 1 miljondels millimeter). De här strukturerna har helt andra elektriska egenskaper än vanliga ledare. Man ser effekter av enskilda elektroners transport, och av kvantmekaniska fenomen som kvantiserad energi och våginterferens. Området är föremål för grundforskning, men motiveras även av tillämpningar inom mikroelektroniken och kan ha betydelse i biologiska system. Man kan säga att en del av den här avhandlingen handlar om att spela biljard med elektroner. Det beror på att i våra små strukturer störs elektronerna inte av orenheter, utan studsar mot strukturens väggar, likt biljardbollar på ett biljardbord. Det innebär att strukturens form är viktig för ledningsförmågan, och strukturerna kallas ofta för elektronbiljarder. Många egenskaper hos en elektronbiljard kan förklaras genom att betrakta elektronen som en rent klassisk partikel, men i andra fall är elektronens vågnatur viktig. Ju mindre struktur och ju lägre temperatur, desto tydligare blir interferenseffekterna. Elektronbiljarder lämpar sig för att studera gränsområdet mellan klassisk mekanik (biljardbollsmodellen) och kvantmekanik (våginterferens). Det har visats att elektronbiljardernas ledningsförmåga i mångt och mycket kan beskrivas med en halvklassisk modell där elektronerna rör sig på klassiska banor, men även har en kvantmekanisk fas. Vi har även undersökt vad som händer när man lägger på lite större spänningar på asymmetriska triangulära elektronbiljarder. Inspirationen till de här undersökningarna kommer från så kallade "ratchets", vilket kan översättas med spärrhake eller tvättbräda. Tvättbrädestrukturer kan generera en riktad partikelström även när de inte utsätts för någon nettokraft i någon riktning, förutsatt att systemet inte befinner sig i termisk jämvikt. De fungerar även som modeller för biologiska processer som muskelsammandragningar. I våra asymmetriska elektronbiljarder har det visats att ledningsfömågan är olika för positiva och negativa spänningar, vilket innebär att en nettoström genereras om man lägger på en AC-spänning. Man får alltså effektivt sett en transport av elektroner i ena riktning trots att medelvärdet av den pålagda spänningen är lika med noll. Nettoströmmen har sitt ursprung i kvantmekaniska effekter som våginterferens och tunnling. Tunnling innebär att det finns en viss sannolikhet för en partikel att passera en barriär trots att den inte har tillräckligt med energi för att ta sig över den - partikeln tunnlar genom barriären. Det har visats att nettoströmmens riktning kan ändras genom att ändra magnetfältet, storleken på den pålagda spänningen eller helt enkelt genom att ändra temperaturen. Därmed kan våra elektronbiljarder betraktas som kvantmekaniska tvättbrädestrukturer. Läs gärna mer i den populärvetenskapliga artikeln om tvättbrädestrukturer som finns i avhandlingen.