Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-6868
Full metadata record
DC FieldValueLanguage
dc.contributor.advisorvon Klitzing, Klaus (Prof. Dr.)de
dc.contributor.authorSchulz, Leonhardde
dc.date.accessioned2015-01-19de
dc.date.accessioned2016-03-31T10:33:26Z-
dc.date.available2015-01-19de
dc.date.available2016-03-31T10:33:26Z-
dc.date.issued2014de
dc.identifier.other424865882de
dc.identifier.urihttp://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-97861de
dc.identifier.urihttp://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/6885-
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.18419/opus-6868-
dc.description.abstractWithin the general framework of quantum physics all objects acquire wave character, inherently enabling interference. For electrons one of the first interferometry experiments used a double-slit, as one particular realization of a more general class of two-path arrangements. Since electrons are charged, their interference is susceptible to the presence of a magnetic flux, known as the Aharonov-Bohm effect. By changing the magnetic flux one obtains a periodic h/e shift of the interference fringes. Further experiments trying to investigate the Aharonov-Bohm effect utilized two-dimensional electron systems (2DES) in solid state devices such as (Al,Ga)As-heterostructures. With state-of-the-art micro-lithography patterning techniques various paths arrangements guiding the electrical current can be realized. It furthermore allows to include more elaborate elements within these loops showing quantum mechanical effects themselves, such as quantum point contacts or quantum dots. In this PhD work Aharonov-Bohm-like conductance modulations in two-path arrangements, built from two-dimensional electron systems tuned to the regime of the quantum Hall effect (QHE), were investigated. These are usually interpreted as interference in the so-called edge state picture of the QHE. Three different two-path configurations were addressed: two parallel constrictions, two parallel quantum dots and their intermediate combination of a single constriction and a quantum dot. The quantum Hall effect is thereby thought to give rise to an additional confinement of the current distribution within the 2DES. However, an accurate microscopic picture has to be applied. The key element of understanding the current distribution is the formation of the so-called electrically compressible and incompressible landscape, contradicting the current distribution within the edge-state model. The compressible/ incompressible picture is validated as true microscopic picture by scanning-force microscopy experiments. It has been already shown, that the h/e periodic conductance modulations seen in the arrangement of two parallel constrictions do not arise from an Aharonov-Bohm like interference effect. They rather emerge from single-electron tunneling between the compressible edges of the Hall device via a compressible strip present around a central antidot. Thus, reducing the Hall-voltage drop and inherently the Hall-current flowing through the device. Smaller integer fractions of h/e can be observed in the presence of spatially separated compressible annuli. Here, we observed an h/2e periodicity. As spatial separation cannot be assumed in our case, we have developed a model for the presence of a spin-degenerate compressible strip around the antidot allowing to observe the halved h/2e periodic conductance modulations as well. In addition, we found a scaling of the magnitude of the conductance modulations in between h/e and h/2e periodicity. It is expected within the picture of the compressible/ incompressible landscape, but hardly explainable within the picture of interfering edge-states. A new arrangement in this thesis is the combination of two quantum dots. Here the electrical current is maintained by single-electron tunneling events, thought to mimic a double-slit in a solid. Although we observed h/e periodic conductance modulations, no evidence of (destructive) interference as underlying mechanism was found. Instead, we identified that a breathing of a closed wave function connected throughout the two quantum dots - altering the individual tunneling barriers - is the origin of the periodic conductance modulations. In addition, experiments were conducted for the Kondo regime of the quantum dots. Here, in the presence of a spin degeneracy, a change to an h/2e periodic conductance modulations was observed. For the intermediate configuration with a constriction and a single quantum dot we showed again both the h/e and h/2e periodicity of the conductance modulations. The latter being thereby observable only in the presence of a spin-degeneracy in either device part. In addition, we substantiate the presence of the closed wave function from the 180° phase shift in the periodic conductance modulations when tuning the quantum dot through the resonance of a single-electron tunneling resonance level. In summary, interference can be excluded as the cause of the periodic conductance modulations for all three configurations examined in this work. Instead, treating the electrostatics of the system self-consistently in the presence of a closed and possibly spin-degenerate wave function accounts for all experimental observations.en
dc.description.abstractIm Rahmen der Quantenphysik wird allen zu beschreibenden Objekten eine Wellenfunktion zugeordnet, die Interferenz ermöglicht. Das erste Interferometerexperiment für Elektronen bestand aus einem Doppelspalt. Da Elektronen geladene Teilchen sind, ist ihr Interferenzmuster durch den magnetischen Fluss beeinflussbar, was als Aharonov-Bohm Effekt bekannt ist. Wird der magnetische Fluss verändert, so erhält man eine h/e periodische Verschiebung des Interferenzmusters. Weitergehende Experimente, welche den Aharonov-Bohm Effekt zeigen sollten, wurden in Festkörpern mit zweidimensionalen Elektronensystemen (2DES), wie beispielsweise (Al,Ga)As Heterostrukturen, realisiert. Durch lithographische Strukturierungsverfahren kann in diesen eine Vielzahl an unterschiedlichen Wegen für den elektrischen Strom realisiert werden. Des Weiteren erlaubt dieses Materialsystem zusätzliche Elemente zu realisieren, die selbst schon quantenmechanische Effekte zeigen. Dazu zählen z.B. Quantenpunktkontakte oder Quantenpunkte. In dieser Dissertation wurden Aharonov-Bohm-artige Leitwertmodulationen in verschiedenen, auf 2DES basierenden, Zwei-Wege-Anordnungen im Regime des Quanten-Hall-Effekts (QHE) untersucht. Diese Leitwertmodulationen werden typischerweise als Interferenzeffekte im sogenannten Randkanalbild des QHE interpretiert. Drei Konfigurationen wurden untersucht: Zwei parallele Engstellen, zwei parallele Quantenpunkte und die Kombination aus einer Engstelle und einem Quantenpunkt. Durch den QHE wird eine zusätzliche räumliche Beschränkung des Stromtransports im 2DES erwartet. Dabei muss das richtige mikroskopische Bild zugrunde gelegt werden. Ein wesentlicher Punkt zum Verständnis der Stromverteilung kommt dabei der Landschaft der sogenannten elektrisch kompressiblen und inkompressiblen Bereiche im 2DES zu, die dem Randkanalbild widerspricht. Das Bild der kompressiblen/ inkompressiblen Bereiche wurde durch Experimente mit Rasterkraftmikroskopen als mikroskopisch richtig bestätigt. Es wurde bereits gezeigt, dass die h/e periodischen Leitwertmodulation, die im Zusammenspiel zweier paralleler Engstellen auftreten, nicht durch einen Aharonov-Bohm-artigen Interferenzeffekt entstehen. Die Leitwertmodulationen entstehen durch das Einzelelektronentunneln zwischen den kompressiblen Rändern der Hallbar. Die Streuung zwischen den Probenrändern erfolgt dabei über einen kompressiblen Bereich um einen, zwischen den Engstellen gelegenen sogenannten Antidot. Damit einhergehend reduziert sich der Hallspannungsabfall und der durch die Probe fließende Hallstrom verringert sich. Dabei können, für den Fall räumlich getrennter kompressibler Ringe um den Antidot, ganzzahlige Bruchteile der h/e Periodizität beobachtet werden. Hier konnte nur h/2e beobachtet werden. Da in unserem Fall jedoch nicht von räumlich getrennten kompressiblen Streifen ausgegangen werden kann, haben wir ein Modell entwickelt in dem eine vorliegende Spinentartung im kompressiblen Bereich ebenfalls eine h/2e periodische Modulation erlaubt. Darüber hinaus fanden wir zwischen der h/e und der h/2e Periodizität eine veränderte Stärke der Leitwertmodulation. Diese wird so auch im Bild des kompressiblen/ inkompressiblen 2DES erwartet, lässt sich jedoch nur schwer im Bild interferierender Randkanäle erklären. Neu in dieser Arbeit ist die Kombination zweier Quantenpunkte. Hier wird der elektrische Strom durch Einzelelektronentunneln getragen. Diese Anordnung sollte daher einen Doppelspalt im Festkörper nachstellen und Interferenz erlauben. Obwohl wir h/e periodische Leitwertmodulationen beobachten konnten, lies sich kein Beweis für (destruktive) Interferenz als mögliche Ursache dafür finden. Wir konnten zeigen, dass im Falle einer, durch die zwei Quantenpunkte, geschlossenen Wellenfunktion eine Art Atmungsmode stattfindet. Diese moduliert die einzelnen Tunnelbarrieren der Quantenpunkte periodisch und verursacht damit die Leitwertmodulationen. Darüber hinaus wurden Experimente im Kondo-Regime der Quantenpunkte gemacht. Hier konnte für den Fall einer vorliegenden Spinentartung ebenfalls h/2e periodische Leitwertmodulation beobachtet werden. Auch für die Kombination einer Engstelle und eines einzelnen Quantenunktes konnten wir sowohl die h/e als auch die h/2e periodische Leitwertmodulation beobachten. Die Zweitgenannte tritt jedoch nur auf, wenn beide Wege eine Spinentartung ermöglichen. Das Vorhandensein der geschlossenen Wellenfunktion konnte durch die 180° Phasenverschiebung der periodischen Leitwertmodulationen untermauert werden, welche beim Resonanzdurchgang des Quantenpunktes beobachtet wurde. Zusammenfassend lässt sich somit in allen, in dieser Arbeit untersuchten, Konfigurationen eine Interferenz als mögliche Ursache der beobachteten Leitwertmodulationen ausschließen. Unsere Ergebnisse lassen sich rein aus der selbst-konsistenten Betrachtung der Elektrostatik und dem Vorhandensein einer geschlossenen und eventuell zusätzlich spinentarteten Wellenfunktion beschreiben.de
dc.language.isoende
dc.rightsinfo:eu-repo/semantics/openAccessde
dc.subject.classificationQuanten-Hall-Effekt , Elektroneninterferometer , Aharonov-Bohm-Effekt , Quantenpunkt , Kondo-Modellde
dc.subject.ddc530de
dc.subject.otherAntidot , Quantenpunktkontakt , Zweidimensionales Elektronensystemde
dc.subject.otherAntidot , Quantum Point Contacten
dc.titleParallel arrangements of quantum dots and quantum point contacts in high magnetic fields : periodic conductance modulations with magnetic flux changeen
dc.title.alternativeParallele Anordnungen von Quantenpunktkontakten und Quantenpunkten bei hohen Magnetfeldern : periodische Leitwertmodulationen unter Änderung des magnetischen Flussesde
dc.typedoctoralThesisde
dc.date.updated2015-01-20de
ubs.dateAccepted2014-11-17de
ubs.fakultaetExterne wissenschaftliche Einrichtungende
ubs.institutMax-Planck-Institut für Festkörperforschungde
ubs.opusid9786de
ubs.publikation.typDissertationde
ubs.thesis.grantorFakultät Mathematik und Physikde
Appears in Collections:14 Externe wissenschaftliche Einrichtungen

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
SCHULZ_Leonhard_PhDthesis.pdf34,44 MBAdobe PDFView/Open


Items in OPUS are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.