09.12.2011
Einzelladungspumpen auf der Basis von zweidimensionalen Halbleiter-Schichtstrukturen werden in der Metrologie intensiv untersucht. Sie haben aber auch ein großes Potential in der Grundlagenforschung: Kürzlich wurde durch Verwendung einer optimierten Geometrie der Pumpe erreicht, dass einzelne Elektronen auch noch bei Magnetfeldern bis zu 30 Tesla kontrolliert von einer Zuleitung in die andere transportiert werden können. Bei diesen enorm hohen Magnetfeldern sind die aus zweidimensionalen Elektronensystemen bestehenden Zuleitungen der Pumpe selber interessante Quantenobjekte und es bildet sich der so genannte fraktionale Quanten-Hall-Effekt aus. Somit kann die Einzelladungspumpe zur Erzeugung gezielter Anregungen dieses interessanten Quantensystems verwendet werden.
Detaillierte Messungen der Magnetfeldabhängigkeit des Pumpstroms (siehe Bild) beweisen, dass in der Tat Elektronen direkt aus einem Quanten-Hall-System entnommen und in ein weiteres injiziert werden konnten. Dies zeigte sich durch eine exakte Korrelation zwischen dem Einsetzen des gepumpten Stroms bei Variation von Pumpen-Kontrollspannungen und der Quantenzahl des Quanten-Hall-Effekts, dem Füllfaktor, und zwar bis hinein in den Bereich der so genannten fraktionalen Zustände bei höchsten Magnetfeldern.
Theoretische Überlegungen zeigen, dass die transportierten Elektronen bei sehr genau definierten Energien aus dem einen Quanten-Hall-System im einen Kontakt entnommen und in das andere System im zweiten Kontakt emittiert werden. Dadurch wird eine energieselektive Anregung von Quasi-Löchern und Elektronen möglich.
Die Einzelelektronenpumpe ist somit ein wertvolles Werkzeug zur Untersuchung von Randanregungen im fraktionalen Quanten-Hall Regime. Ungeklärte Fragestellungen in diesem Gebiet der Physik sind zum Beispiel der Nachweis von neutralen „upstream“ Randmoden oder die Untersuchung von Relaxationsprozessen innerhalb und zwischen verschiedenen Randzuständen. Die gezielte Anregung mit einzelnen Elektronen bei einstellbarer Energie stellt hier der Forschung ein neues Instrument zur Verfügung.
Bild:
Normierter Pumpstrom als Funktion des Magnetfeldes und der Pumpen-Kontrollspannung V. Im gelben Bereich wird ein Elektron pro Zyklus transportiert, im grünen Bereich zwei. Die Einsatzspannung des quantisierten Elektronentransports zeigt Strukturen, die mit dem Quanten-Hall-Widerstand (schwarze Linie, rechte Achse) und den Quantenzahlen des Quanten-Hall-Effekts (Füllfaktor, oberer Achse) korrelieren. Das kleine Bild zeigt die Geometrie der Einzelelektronenpumpe.
Ansprechpartner: F. Hohls
Fachbereich 2.5 : Halbleiterphysik und Magnetismus