Electron Transport in Quantum Dots Defined in Low-Dimensional Semiconductor Structures

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish I denna avhandling studeras ledningsförmågan hos nanometer-stora kvantprickar tillverkade i halvledarmaterial. Halvledare är material vars ledningsförmåga ligger någonstans mellan ledare (metaller) och isolatorer. I halvledare kan ledningsförmågan ändras med elektriska fält, vilket har möjliggjort utvecklandet av halvledartransistorn. Utvecklandet av halvledartransistorn har revolutionerat våra vardagliga liv eftersom den utgör den grundläggande byggstenen i elektroniska apparater som datorer, mobiltelefoner och digitala kameror. Det som har bidragit till den snabba utvecklingen av elektroniska komponenter är en ständigt pågående miniatyrisering av transistorns storlek. Denna miniatyrisering kan dock inte fortsätta eftersom det finns en gräns för hur små transistorer kan vara och samtidigt fungera som de gör idag. Gränsen nås då storleken på transistorn närmar sig våglängden på elektronerna i materialet. Elektronerna uppvisar då icke-klassiska, så kallade kvantmekaniska egenskaper som försämrar transistorns prestanda. Forskare försöker nu tillverka elektroniska nano-komponenter baserade på nya fysikaliska principer som utnyttjar de kvantmekaniska egenskaperna istället för att begränsas av dem. Kvantprickar är möjliga kandidater bland dessa nya nano-komponenter eftersom de uppvisar tydliga kvantmekaniska egenskaper och tillåter kontrollerad och flexibel manipulation med elektriska och magnetiska fält. Flexibiliteten hos kvantprickar har lett till förslag att använda kvantprickar som komponenter i så kallade kvantdatorer. Tanken är att använda en elektrons spinn i en kvantprick som en grundläggande enhet, en kvant-bit, för att lagra information. Spinn är en kvantmekanisk egenskap som alla elementarpartikar besitter och kan sägas beskriva en partikels rörelsemängdsmoment. Kvantdatorer kan i teorin användas för att lösa vissa typer av problem väldigt mycket snabbare än dagens datorer. Kvantprickarna som har studerats i denna avhandling har en storlek i nanometerskalan. En nanometer är en miljarddels meter, det vill säga 1/10^9 meter. Kvantprickar kan liknas vid nanometerstora öar som elektroner är begränsade att röra sig inom. På denna skala är de kvantmekaniska effekterna synliga och elektroner uppvisar både partikel- och vågegenskaper. Kvantprickar kan tillverkas på många olika sätt. I denna avhandling studeras kvantprickar som tillverkats i så kallade heterostrukturer eller nanotrådar bestående av halvledarmaterial. I dessa strukturer begränsas elektronernas rörelse i en respektive två riktningar. Med hjälp av elektriska fält kan de begränsas i alla riktningar. I våra mätningar har vi visat att vi kan skapa både enskilda kvantprickar samt två kvantprickar i följd. Storleken på de kvantprickar vi har skapat är cirka 100 nanometer i diameter. Kvantprickar uppvisar många fysikaliska egenskaper som liknar egenskaperna hos atomer och brukar därför kallas artificiella atomer. Bland annat uppvisar kvantprickar ett diskret energispektrum där elektronerna som ockuperar kvantpricken bara kan anta vissa specifika energivärden. Dessa energivärden kan bestämmas genom att mäta ledningsförmågan genom kvantpricken. Strömmen genom kvantpricken är hög för de tillåtna energierna och låg för de förbjudna energierna. Genom att manipulera energinivåerna utifrån med elektriska och magnetiska fält kan diverse fysikaliska egenskaper, samt växelverkan mellan de elektroner som ockuperar kvantpricken, bestämmas genom att mäta ledningsförmågan på kvantpricken. Vi har lyckats bestämma dessa tillåtna energivärden i våra kvantprickar samt flera karakteristiska energier associerade med diverse fysikaliska egenskaper. Även växelverkan mellan elektronerna på kvantpricken och omgivningen kan mätas. Vi har undersökt den elektrostatiska växelverkan mellan elektronerna på kvantpricken och en intilliggande ledare. På detta sätt har vi bestämt det exakta antalet elektroner som ockuperar kvantpricken. Vi har även lyckats mäta växelverkan mellan elektronerna på kvantpricken och de atomkärnor som utgör och omger kvantpricken, den så kallade hyperfinväxelverkan. Växelverkan med omgivningen har stor betydelse för kvantdatorn eftersom denna växelverkan frivilligt eller ofrivilligt kan påverka de tillstånd som kvantprickarna befinner sig i.