Der Kondo-Effekt in Quantendots bei hohen Magnetfeldern

Abstract

In dieser Arbeit wurde der Elektronentransport durch einzelne Quantendotsysteme, bei tiefen Temperaturen (0,1 Kelvin) und hohen Magnetfeldern (mehrere Tesla) untersucht. Ein Quantendotsystem besteht aus einer einzelnen Elektroneninsel ('Quantendot') mit diskretem elektronischen Anregungsspektrum, die schwach über Tunnelbarrieren an zwei Zuleitungen angekoppelt ist. Solche Systeme wurden mittels Elektronenstrahllithographie und reaktivem Ionenätzen in einer modulations-dotierten GaAs/AlGaAs-Heterostruktur, die ein zweidimensionales Elektronensystem (2DES) dicht unter der Oberfläche enthält, realisiert. Mit Hilfe von Steuerelektroden lässt sich sowohl die Zahl der Elektronen als auch die Tunnelankopplung des Quantendots an seine Zuleitungen kontrollieren. Das Quantendotsystem erhält sich wie ein Einzelelektronen-Transistor: Es gibt Steuerspannungsbereiche, in denen der Einzelelektronen-Tunnelstrom unterdrückt ist (Coulomb-Blockade-Bereich). Liegt eine gewisser elektronischer Grundzustand des Quantendots im Bereich der Coulomb-Blockade vor, so führt die Tunnelankopplung an die Zuleitungen unterhalb der Kondo-Temperatur zu einem korrelierten Gesamtzustand des Systems. Die Folge ist ein erhöhter Leitwert im Coulomb-Blockade-Bereich - 1988 vorhergesagt und 1998 experimentell nachgewiesen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung des Kondo-Effekts in Quantendotsystemen bei hohen Magnetfeldern. Hier zeigt der Leitwert als Funktion der Elektronenzahl auf dem Quantendot und dem Magnetfeld ein schachbrettartiges Muster aus Coulomb-Blockade-Bereichen mit erhöhtem und unterdrücktem Leitwert. Dieses beeindruckende experimentelle Ergebnis wird im Rahmen eines etablierten Quantendotmodells für hohe Magnetfelder und dem Anderson-Störstellen-Modell interpretiert und verstanden. Von Bedeutung für das Auftreten des Kondo-Effekts ist danach die unterschiedliche Tunnelankopplung von Elektronenzuständen des Quantendots an seine Zuleitungen.

In this work the electron transport through individual quantum dot systems at low temperatures (0.1 Kelvin) and high magnetic fields (several Tesla) has been investigated. A quantum dot system consists of an electron island ('quantum dot') with discrete electronic excitation spectra, which is weakly coupled to two leads via tunnelling barriers. Such systems where fabricated in a GaAs/AlGaAs heterostructures with a two-dimensional electron system (2DES) directly below the surface using electron beam lithography and reactive ion etching. The number of electrons as well as the tunnel coupling of the quantum dot to its leads was tuned by means of gate electrodes. The quantum dot system behaves like a single electron transistor. For certain gate voltage ranges with suppressed single electron tunnel current (Coulomb blockade regime). For a certain electronic ground state of the quantum dot in the Coulomb blockade regime, the tunnel coupling to the leads results in a correlated electron state of the complete system below the so-called Kondo temperature This causes an enhanced conductance in the Coulomb blockade regime - predicted in 1988 and experimentally verified in 1998. The focus of this work is the investigation of the Kondo effect in quantum dot systems at high magnetic fields, where the conductance as function of the electron number and the magnetic field shows a very regular, checkerboard-like pattern of Coulomb blockade regions of enhanced and suppressed conductance. This amazing experimental result is interpreted and understood in the framework of an established quantum dot model for high magnetic fields and the Anderson impurity model. The different coupling of electron states of the quantum dot to its leads is shown to be important for the occurrence of the Kondo effect.