Transport Studies of Local-Gate Defined Quantum Dots in Nanowires

Abstract: Popular Abstract in Swedish Kvantprickar är objekt där elektroner är instängda i en mycket liten volym (av storleksordningen 100 nanometer i varje riktning). I den här avhandlingen har vi studerat kvantprickar definierade i nanotrådar av halvledarmaterial. Nanotrådarna kan vara flera mikrometer långa men samtidigt mycket tunna (mindre än 100 nanometer eller 0,1 mikrometer). Vi har skapat kvantprickar i nanotrådar genom en teknik där trådarna läggs ovanpå parallella guldelektroder med cirka 30 nanometers mellanrum så att tråden är vinkelrät mot dessa. Då en negativ elektrisk potential appliceras på elektroderna förändras potentiallandskapet i nanotråden. Elektroner repelleras av den negativa spänningen och därmed bildas potentialbarriärer ovanför elektroderna och kvantprickar bildas mellan barriärerna där elektroner samlas. Elektriska mätningar visar att vi har kunnat skapa såväl enskilda kvantprickar som två kvantprickar i följd. Genom att förändra spänningen på elektroderna kan vi ändra kvantprickarnas storlek och växelverkan mellan elektroner i olika kvantprickar. Elektroner har både partikel-och vågegenskaper, och på nanometer skalan till skillnad från i makroskopiska system är vågkaraktären framträdande, vilket leder till icke-klassiska fenomen som inte kan observeras i makroskopiska system. Bara de elektroner vars energier motsvarar stående vågor i kvantpricken kan existera och energin blir därmed kvantiserad till en uppsättning diskreta värden. Vi har kunnat bestämma elektronenergierna i våra nanotråds-kvantprickar samt några andra karakteristiska energistorheter som beskriver växelverkan mellan elektroner. Sådan växelverkan påverkar bland annat länge elektronernas kvanttillstånd är stabilt innan det förändras (så kallad dekoherenstid). Forskning inom halvledar-och kvantfysik ät till stor del motiverad av utvecklingen inom halvledarindustrin. De elektroniska komponenter som vi använder i stor omfattning i vårt dagliga liv är i ständig utveckling och blir allt mindre, effektivare och billigare. Det finns dock en gräns för hur små till exempel transistorer kan bli och fortfarande fungera på samma sätt som idag. Kvantmekaniska effekter som energikvantisering och tunnling genom elektriskt isolerande skikt blir tillslut alltför märkbara och förstör funktionen. Ett annat hinder mot utvecklingen inom halvledarindustrin är värmeutvecklingen i integrerade kretsar, som ökar då komponenterna packas tätare. Mycket utvecklingsarbete ägnas därför åt att ta fram nya komponenter där de här problemen reduceras, alternativt komponenter som bygger på helt nya principer än traditionell elektronik och där elektronernas kvantegenskaper utnyttjas istället för att vara ett problem. Kvantprickar är den centrala delen i flera förslag på nya komponenter, som till exempel en-elektron-transistorn. Här kan strömmen, som utgörs av elektroner som passerar igenom kvantpricken en och en, stängas av och på genom en liten förändring av kvantprickens potential (i vårt fall genom att ändra spänningen något på en av de tunna guldelektroderna). I ett (mycket) långt perspektiv är kvantprickar av intresse för att realisera kvantbitar (eng. 'qubits'), som är de grundläggande enheterna i en kvantdator. Här är information lagrad i form av ett visst kvanttillstånd, och stabiliteten hos olika kvanttillstånd är därmed avgörande för funktionen.