Präparation und elektrische Charakterisierung elektrostatisch gekoppelter Quantendotsysteme - eine Realisierung des Anderson-Störstellenmodells

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Wechselwirkungseffekten zwischen stark elektrostatisch gekoppelten Elektronensystemen. Grundlage der Untersuchungen bilden elektrische Transportmessungen durch zwei parallel-geschaltete, elektrisch voneinander isolierte, Einzelelektronen-Tunneltransistoren (SET). Die verwendeten Proben basieren auf mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie gewachsenen GaAs-AlGaAs Heterostrukturen. Zur lateralen Strukturierung der beiden so definierten zweidimensionalen Elektronensysteme wurde ein Trockenätzverfahren (RIE) eingesetzt. Durch Optimierung der Probengeometrie und des Präparationsverfahrens konnten geätzte "Inplane-Gate"-SET-Strukturen realisiert werden, die sinnvolle Alternativen im Hinblick auf Qualität und Ladeenergie zu herkömmlichen Anordnungen mit Metallgates ("Split-Gate"-Anordnung) darstellen. Die demonstrierte getrennte Kontaktierung, die starke elektrostatische Kopplung der Elektroneninseln und die Möglichkeit eine starke Tunnelkopplung zwischen Elektroneninseln und Zuleitungen kontrolliert einzustellen sind unabdingbare Voraussetzungen für eine der Kernaussagen dieser Arbeit. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals das Anderson-Störstellen-Modell, ein aus der Kondophysik bekanntes Standardmodell, auf die Physik des rein elektrostatisch gekoppelten Doppel-SET-Systems angewandt. Es sagt eine spinlose Kondo-Resonanz im Bereich starker Tunnelkopplung zwischen Elektroneninseln und Zuleitungen voraus. Diese Vorhersagen konnten in unserem System bestätigt werden. Als Funktion der "Source-Drain"-Spannung ergibt sich ein Leitwertmaximum, die sogenannte Kondo-Resonanz. Eine maßgebliche Beteiligung von Spineffekten konnte experimentell ausgeschlossen werden. Die Ergebnisse bestätigen Untersuchungen an ungekoppelten Einzel-SET. Das hier vorgestellte System erweitert jedoch die Möglichkeiten der Untersuchung der den Effekt verursachenden korrelierten Prozesse erheblich.

This work focuses on electrostatic interaction effects between strongly coupled electron systems. Observations are based on electronic transport measurements through an arrangement of two parallel, electrically isolated, single-electron-tunneling-transistors (SET). Basic building block of the samples under investigation are GaAs-AlGaAs heterostructures defined by molecular beam epitaxy. The lateral structuring of the resulting two-dimensional electron-systems was realized using dry-etching techniques (RIE). By optimizing sample geometry and preparation techniques, in-plane gate SET-structures were realized, which are, considering the quality of the confinement potential and the charging energy, well controlled alternatives to conventional split-gate SET-arrangements using metal-gates. Separate contacts, strong electrostatic inter-dot coupling and the possibility of controlled tunnel-coupling between electron-islands and reservoirs are inevitable prerequisites for one of this works most prominent statements. The extended Anderson-impurity model, a well known standard-model in Kondo-physics, was, for the first time, applied to the strongly electrostatically coupled double-dot system. The model predicts a "spinless" Kondo-resonance in the regime of strong tunnel-coupling between electron-island and reservoir. This prediction was confirmed in our system. A maximum in the differential conductance is observed as a function of source-drain-voltage. Involvement of spin-effects could be experimentally ruled out. Results are in agreement with observations in single-electron systems with spin-induced Kondo-resonances. The hereby presented system however goes further, offering additional possibilities for investigating the underlying correlation processes.