Spin-orbit coupling and electron-phonon scattering - Fachbereich ...

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iv Zusammenfassung (Abstract in German) Zusammenfassung In dieser Arbeit betrachten wir das Zusammenspiel von Wechselwirkung und räumlicher Beschränkung anhand von zwei Beispielen. In Teil I untersuchen wir Effekte der Spin-Bahn-Wechselwirkung in ballistischen Quantendrähten und Quantenpunkten. Die Spin-Bahn-Wechselwirkung koppelt den Spinfreiheitgrad eines Teilchens an seine orbitale Bewegung, die sich in Nanostrukturen leicht durch beschränkende Potentiale beeinflussen lässt. Im ersten Teil dieser Arbeit betrachten wir, wie die spektralen und Spineigenschaften in Systemen mit substantieller Spin-Bahn-Wechselwirkung von der räumlichen Beschränkung beeinflusst werden. Wir nehmen an, dass die Spin-Bahn-Wechselwirkung durch die Raumspiegelungsasymmetrie in einer Inversionsschicht bestimmt wird und beschreiben sie daher durch das Rashba Modell. Wir zeigen, dass in einem Quantendraht die spektralen und Spineigenschaften eines Elektrons durch eine kombinierte Spin-Raumparitätssymmetrie bestimmt werden. Das Aufheben dieser Symmetrie durch ein senkrechtes Magnetfeld führt zu einer ausgeprägten Energieaufspaltung bei k = 0 und Hybridisierungseffekten in der Spindichte. Es ist zu erwarten, dass beide Effekte für optische oder Transportexperimente zugänglich sind. Die von der Spin-Bahn-Wechselwirkung stammenden Modifikationen der Subbandstruktur sind sehr empfindlich gegenüber schwachen Magnetfeldern. Dies hat Konsequenzen für zukünftigen Spintronikbauteile, die von ferromagnetischen Zuleitungen abhängen (Streufelder). Inspiriert von einer Analogie zur Quantenoptik, leiten wir am Beipiel des Quantenpunkts ein effektives Modell her, das die Hauptmerkmale der Spin-Bahn- Wechselwirkung in Quantenpunkten verdeutlicht. In diesem Modell diskutieren wir ein Experiment zur Beobachtung von spinbahngetriebenen kohärenten Oszillationen in einem einzelnen Quantenpunkt. Der oszillierende Freiheitsgrad stellt ein neues Qubit dar, das sich aus Spin und Drehimpuls zusammensetzt. In Teil II untersuchen wir das Zusammenspiel von mechanischer Beschränkung und Elektron-Phonon-Wechselwirkung im Transport durch zwei gekoppelte Quantenpunkte. Phononen sind quantisierte Gitterschwingungen deren Eigenschaften stark von der Beschränkung in nanomechanischen Resonatoren beeinflusst werden. Am Beispiel einer ebenen Phononenkavität zeigen wir, dass gekoppelte Quantenpunkte einen vielversprechenden Detektor zum Nachweis von Phononquantum-size“-Effekten im elektronischen Transport darstellen. Für gewisse Werte des Energieabstands ∆ der Quantenpunkte wird die Streuung durch das piezo- ” elektrische oder Deformationspotential entweder drastisch unterdrückt oder durch van–Hove Singularitäten in der Zustandsdichte der Phononen enorm verstärkt. Die Änderung von ∆ ermöglicht es daher, Kontrolle über die Dephasierung in Doppelquantenpunkt-basierten Qubit-Systemen zu erlangen, oder die Emission in Phononmoden mit charakteristischer Winkelverteilung zu verstärken.
Publications v Publications Some of the main results of this work have been published in the following articles 1. S. Debald and C. Emary, Spin-orbit driven coherent oscillations in a fewelectron quantum dot, (submitted). E-print: cond-mat/0410714. 2. S. Debald and B. Kramer, Rashba effect and magnetic field in semiconductor quantum wires, to appear in Phys. Rev. B 71 (2005). E-print: condmat/0411444. 3. S. Debald, T. Brandes, and B. Kramer, Nonlinear electron transport through double quantum dots coupled to confined phonons, Int. Journal of Modern Physics B 17, 5471 (2003). 4. S. Debald, T. Brandes, and B. Kramer, Control of dephasing and phonon emission in coupled quantum dots, Rapid Communication in Phys. Rev. B 66, 041301(R) (2002). (This work has been selected for the 15th July 2002 issue of the Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology.) 5. T. Vorrath, S. Debald, B. Kramer, and T. Brandes, Phonon cavity models for quantum dot based qubits, Proc. 26th Int. Conf. Semicond., Edinburgh (2002). 6. S. Debald, T. Vorrath, T. Brandes, and B. Kramer, Phonons and phonon confinement in transport through double quantum dots, Proc. 25th Int. Conf. Semicond., Osaka (2000).
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Bibliography [1] G. Bergmann, Phys.
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Bibliography 125 [31] M. Pletyukhov
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Bibliography 127 [72] T. Schäpers,
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Bibliography 129 [109] U. Merkt, J.
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Bibliography 131 [144] B. Auld, Aco
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Bibliography 133 [182] A. A. Kisele
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Acknowledgements Finally, I would l
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