Resonant states in modulation-doped heterostructures

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Denna avhandling handlar om de kvantmekaniska effekter som kan uppstå då man dopar extremt små halvledarstrukturer, och det inflytande detta kan ha på de elektroniska och optiska egenskaperna. Mottot för elektronikindustrin är "mindre, snabbare och billigare". Om man fortsätter göra komponenterna som bygger upp datorer och andra apparater mindre och mindre, hamnar man dock snart i den situationen att kretsarna blir så små att de inte längre kan beskrivas av klassisk fysik. Istället är det kvantmekanikens lagar som styr mikrokosmos, och arbetet med att utveckla kvantmekaniska kretsar har pågått i ett par decennier. En viktig ingrediens är att man numera, genom att bygga upp materialet atomlager för atomlager, kan skapa helt nya halvledare som inte existerar i naturen, och skräddarsy deras egenskaper för de tillämpningar man är ute efter. Liksom klassiska halvledare måste de nya mikroskopiska komponenterna dopas, eftersom halvledare i ren form inte leder ström. Den mer vardagliga användningen av ordet dopning inom sportens värld ger en ganska bra bild av hur det fungerar. Genom att tillföra en liten mängd främmande atomer kan man förbättra den elektriska ledningsförmågan enormt mycket. Parallellt med denna positiva effekt leder emellertid dopningen också till många försämringar av materialets egenskaper. En ny möjlighet som öppnats med heterostrukturer är att man kan separera de områden som dopas, från de aktiva områden som leder strömmen. Detta kallas moduleringsdopning; koncentrationen av dopningsatomer varierar beroende på var i materialet man är. De oönskade effekterna av dopning kan dock aldrig helt elimineras; dopningen måste trots allt placeras så nära det aktiva området att elektronerna som tillförs kan ta sig dit. De dopningsatomer som skänker bort sina elektroner blir positivt laddade, och därmed påverkar de elektronerna med en elektrostatisk kraft. Det är de kvantmekaniska effekterna av denna växelverkan som studerats i avhandlingen. För att skapa en enkel bild kan man betrakta elektronerna som cyklister, medan dopningsatomerna representeras av djupa hål i marken. Om man placerar hålen mitt i vägen kommer en del cyklister att trilla ner i dem, och kanske bli fast ett tag innan de kan klättra upp och fortsätta cykla. För att undvika att trilla ner måste andra cyklister köra runt hålen, vilket tar extra tid och sänker deras hastighet. Den ytterligare aspekt som kvantmekanikens lagar tillför är att om nu hålen placeras femtio meter bort från vägen, ute i en åker, så kan cyklisterna fortfarande både trilla ner i hålen och tvingas köra runt dem! En stor del av avhandlingen handlar om hur stor sannolikheten är att cyklisterna trillar ner, hur stora hålen egentligen är, samt hur lång tid det tar att ta sig tillbaka upp på cykeln. Om man vill dra nytta av den höga hastighet på elektronerna som kan uppnås med moduleringsdopade heterostrukturer, placerar man självklart hålen (dopningen) ute i åkern. Nyligen har det dock visat sig att även gropiga vägar kan utnyttjas på ett positivt sätt. De cyklister som trillar i hålen kan övertalas att plocka med sig värdefulla stenar då de klättrar upp. Samlar vi ihop alla dessa bidrag kan vi bli rika, åtminstone om många cyklister trillat ner. Mer fysikaliskt korrekt handlar det om att då elektronerna fastnar på dopningsatomerna kan de hoppa mellan olika energinivåer. Samtidigt skickar de ut ljus, och detta kan användas för att konstruera en laser som kan justeras för olika våglängder, eftersom "hålens" egenskaper ganska enkelt kan anpassas då vi bygger upp vår heterostruktur. Särskilt intressant vore det att få fram en laser för terahertz-området (terahertz anger frekvensen på ljuset och motsvarar ännu lägre energier än infrarött), vilket rymmer en lång rad högst intressanta tillämpningar inom astronomi, medicin, biologi och fysik. Antag nu slutligen att varje cyklist bär på var sin liten del av ett meddelande. Om vissa cyklister trillar ner i hål, och därför kommer fram för sent, kan man föreställa sig att meddelandet blir mer eller mindre förvrängt. Den här typen av störningar eller brus är ett viktigt problem att studera för elektroniska kretsar, och det är inte svårt att förstå att dopningen bidrar till bruset. Detta är naturligtvis inte ett nytt problem, men våra resultat visar på en ny mekanism för hur brus kan uppstå.