Nanovezetékeken alapuló áramkörök gyártása és kvantum effektusainak elektron transzport vizsgálata = Fabrication and Electron Transport Study of Nanowire based Quantum Devices

摘要

Az anyagtudomány fejlődésének köszönhetően számos nanoméretű objektum létrehozására nyílik mód napjainkban, ilyenek például a félvezető nanopálcák (NW). Kis méretük miatt ezek a NW-k nagyon ígéretesek kvantum elektronikai célokra. Kvantum elektronika a modern szilárdtestfizika dinamikusan fejlődő területe, melynek fő célja elektromos áramkörök kvantum mechanikai szabadsági fokainak kontrollálása és kiolvasása, mint amilyen egy mesterséges atomba (QD) zárt elektron spinje. Jelen projektben nanoméretű áramkörök készítésére és kvantum effektusainak alacsony hőmérsékleti vizsgálatára alkalmas infrastruktúrát építettünk ki. Vizsgáltuk InAs NW-kból és szupravezető (S) ill. ferromágneses (F) elektródák kombinációjából készített áramköröket. InAs NW-ban kialakított dupla kvantum dotot szupravezetőhöz csatolva megmutattuk, hogy Cooper- párokat lehet térben szeparálni, ami megnyitja az utat mobil elektronokból álló Einstein Podolsky Rosen párok keltésére és összefonódottságuk tanulmányozására. Másrészről, ha F vezetéket kapcsolunk InAs NW-ban kialakított QD-hoz, akkor a ferromágnesség lokális kicserélődési téret kelt a mesterséges atomon. Megmutattuk, hogy ez a tér erősen függ a QD töltés állapotától. Sőt a tér még előjelet is válthat ugyanazon töltés állapotban, lehetővé téve az alap állapot spinjének megfordítását kapu feszültség segítségével. Megmutattuk, hogy egy ilyen F-QD rendszer hatékony spin áram erősítőként tud funkcionálni. | Recent development in material science allowed the synthesis of various nanoscale objects, like semiconductor nanowires (NW). Due to their small size, these NWs are very attractive for quantum electronic purpose. Quantum electronics is a dynamically progressing field of modern solid state physics, where the central goal is to manipulate and read out quantum mechanical degrees of freedom of circuits, like the spin of an electron trapped into a quantum dot (QD). In the present project the fabrication and transport characterization infrastructure have been established, which allows the production of nanocircuits and exploring their quantum effects in cryogenic measurements. We have investigated various InAs NW based electric circuits, where superconducting (S) and ferromagnetic (F) leads were attached to the wire. Coupling S lead to NW based double QD system, we have demonstrated, that Cooper pairs can be separated, which opens the way for Einstein Podolsky Rosen pair generation and entanglement analysis of mobile electrons. On the other hand attaching F lead to a QD, ferromagnetism penetrates into the dot inducing a local exchange field. We have shown that this exchange field strongly depends on the charge state of the QD. Furthermore it can even change sign for the same state, which allows the spin reversal of the ground state of the QD by gate voltage. We have shown that such an F- quantum dot system act as an efficient spin current amplifier.