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Elektrische Präparation und Detektion von Vielteilchen-Zuständen in selbstorganisierten Quantenpunkten

Marquardt, Bastian

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Kopplung zwischen nulldimensionalen selbstorganisierten Quantenpunkten und einem zweidimensionalen Loch- bzw. Elektronengas. Diese Kopplung zweier niedrigdimensionaler Nanostrukturen hat es erstmals ermöglicht, direkt die elektronische Tunneldynamik zwischen Quantenpunkten und einem 2D Ladungsträgersystem in einem zeitaufgelösten Experiment zu untersuchen. Die untersuchten nulldimensionalen Ladungssysteme wurden in eine epitaktisch gewachsene Transistor-Struktur eingebettet. Diese selbstorganisierten Indiumarsenid Quantenpunkte sind über eine isolierende Tunnelbarriere mit dem zweidimensionalen Elektronengas verbunden. So ist es möglich, gezielt einen Beladungszustand in den Quantenpunkten zu präparieren und durch eine Leitfähigkeitsmessung am 2D System zu detektieren. Auf Basis dieser zeitaufgelösten Messung wurde ein elektrisches Pump & Probe Experiment entwickelt, welches erlaubt, angeregte Vielteilchen-Spinzustände in selbstorganisierten Quantenpunkten zu präparieren und deren zeitliche Entwicklung zu erfassen. So konnte das elektronische Beladen der Quantenpunkte vom leeren bis zum vollständig gefüllten Quantenpunkt in der Zeitdomäne beobachtet werden. Die in dieser Arbeit konzipierte zeitaufgelöste Transportspektroskopie erlaubt neben der Untersuchung von Vielteilchen-Grundzuständen auch die Untersuchung von angeregten Vielteilchen-Zuständen mit einer wohldefinierten Anzahl von Ladungsgträgern. Diese Möglichkeit bestand bisher nur bei lithografisch definierten Quantenpunkten und gilt als Voraussetzung für den Einsatz dieser Systeme in der Quanteninformationsverarbeitung. Es konnten die Anregungsspektren von drei Quantenpunkt-„Elementen“ (Quantenpunkt-Wasserstoff, -Helium und -Lithium) in einem vollständig elektrischen Experiment gemessen und mit theoretischen Rechnungen verglichen werden. Insbesondere konnten quantenmechanische Nichtgleichgewichts- Spinzustände erstmals bis Temperaturen von über 30 K kontrolliert erzeugt werden; eine Temperatur, die mehr als zwei Größenordnung oberhalb der bisher erzielten Werte für lithografische Quantenpunkte liegt (etwa 100 mK). Basierend auf dieser neuen Methode der zeitaufgelösten Transportspektroskopie gelang es, Transportparameter des zweidimensionalen Elektronensystems wie Ladungsträgerdichte und Beweglichkeit separat voneinander zeitaufgelöst zu bestimmen. Es konnten Untersuchungen durchgeführt werden, die eindeutig den Einfluss der einzelnen Ladezustände der Quantenpunkte auf die Transportparameter des 2D Elektronengases, wie die Ladungsträgerkonzentration und Beweglichkeit, in einer zeitaufgelösten Messung quantifizieren konnten.

Within the present thesis, the coupling between an ensemble of zero dimensional, self-assembled quantum dots and a nearby two-dimenisonal electron gas is investigated. The electrical coupling enables studying the electron tunneling dynamics between these low dimensional nanostructures in the time domain, using a novel transport spectroscopy technique. To obtain electrical access to the zero dimensional electron systems, the quantum dots are embedded in an epitaxially grown transistor structure and coupled to a two dimensional electron gas through an insulating tunneling barrier. By a well-defined gate voltage, it is possible to inject a defined number of electrons from the two dimensional electron gas into the quantum dots. The occupation level of the dots can be simultaneously read out time-resolved by recording the conductivity of the two dimensional electron system. Based on this time-resolved transport spectroscopy, a Pump & Probe operation allows it to prepare and detect non-equilibrium many-particle states in self-assembled quantum dots and their time evolution by all-electrical means. The filling of the quantum dots with electrons from the empty to the fully occupied dots is recorded in real-time. The time-resolved transport spectroscopy enables the investigation of many-particle ground states as well as non-equilibrium many-particle spin states with a defined number of charge carriers. In the past this has only been realized in lithographically defined quantum dots. An all-electrical control of excited spin states is highly desirable for the implementation of such systems in visionary quantum information processing devices. The excitation spectra of three quantum dot ‘elements’ (quantum dot hydrogen, helium and lithium) could be measured in an all-electrical experiment and compared with calculations. In particular, non-equilibrium electron spin states have been prepared and investigated up to temperatures of above 30 K; two orders of magnitude higher than the operation temperature of lithographically defined quantum dots (about 100 mK). Based on the 0D/2D system coupling, the time-resolved transport spectroscopy has been further developed during this thesis. The different transport parameters of the two dimensional electron gas, like its mobility and charge carrier density, were measured separately in the time domain. Hence, the influence of charged quantum dots on the conductivity of the two dimensional electron gas, which is given by its charge carrier density and mobility, has been quantified.

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Marquardt, Bastian: Elektrische Präparation und Detektion von Vielteilchen-Zuständen in selbstorganisierten Quantenpunkten. 2011.

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