Magnetisch lokalisierte Dirac-Fermionen

Die Halbleitertechnologie basiert momentan auf der Manipulation von elektrischer Ladung. Allerdings existieren andere Freiheitsgrade wie Spin- oder Valley die sich für den Transfer und die Verarbeitung von Information eignen. Sie versprechen eine perfekte Kombination: substantielle Erhöhung der Rechenleistung bei gleichzeitiger Reduktion des Energieverbrauchs, einem großen Problem moderner Supercomputer. Außerdem kann die Eigenschaft der quantenmechanischen Verschränkung ausgenutzt werden, um komplexe Probleme in einem Bruchteil der Zeit klassischer Computer zu lösen. In einer aktuellen Zusammenarbeit aus Theorie und Experiment haben wir Dirac Fermionen in Graphen so eingeschlossen, dass ihr Valley Freiheitsgrad erhalten blieb und meßbar wurde. Diese Resultate bilden die Basis für die Entwicklung valleytronischer Bauelemente, die die einzigartigen Eigenschaften geschichteter Heterostrukturen ausnutzen. Wir erreichen das wesentliche, weiche Einschließen der Dirac Fermionen in Graphen, indem wir magnetische und elektrische Felder geeignet kombinieren. Die daraus resultierenden Quantenpunkte zeigen wohldefinierte Füllsequenzen der Spin-, Valley- und orbitalen Freiheitsgrade, und sind weitaus besser kontrollierbar als geätzte Strukturen, die starke Randeffekte zeigen. Tatsächlich erweist sich unsere Herangehensweise als geeignet, um kontrolliert orbitale und Valley-Entartungen aufzuheben, in perfekter Übereinstimmung mit unseren theoretischen Modellen. Der Abstand zwischen Graphen und dem darunterliegenden Substrat aus hexagonalem Bornitrid variiert periodisch auf Grund der komplexen Wechselwirkung zwischen den beiden Schichten. Durch Verschieben des Quantenpunktes gegenüber dieser periodischen Modulation kann man die relevanten Energieskalen des Systems genauestens einstellen. Auf diese Art können wir die einzigartigen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen niedrigdimensionalen Materialien ausnutzen, um den empfindlichen Valley-Freiheitsgrad genau zu kontrollieren. Diese bemerkenswerten Resultate sind zur Zeit auf die Spitze eines Rastertunnelmikroskopes beschränkt, das den Quantenpunkt gleichzeitig induziert und vermisst. Im Rahmen dieses Projektes werden wir verschiedene Kontaktgeometrien entwickeln, um die Eigenschaften und die Position des Quantenpunktes noch besser kontrollieren und auf sehr kurzen Zeitskalen verändern zu können. Zeitabhängige Rastertunnelmikroskopie mit einer Auflösung unter einer Nanosekunde erlaubt uns außerdem, die Lebensdauer von Zuständen in unserem Quantenpunkt zu vermessen und die verschiedenen Zerfallsprozesse zu beobachten. Gleichzeitig entwickeln wir theoretische Modelle, um die Zeitentwicklung des Quantenpunktes zu simulieren und somit die Dynamik auf verschiedenen Längen- und Zeitskalen quantitativ zu verstehen. Unsere Resultate sollen einen solide Basis für zukünftige Entwicklung nanoelektronischer Bauelemente aus zweidimensionalen Materialien bilden.

Im Rahmen des FWF Projekts Magnetically Confined Graphene Quantum Dots haben wir Quantenzustände in zweidimensionalen Kristallen untersucht. Zweidimensionale Kristalle wie Graphene können seit wenigen Jahren in hoher Qualität hergestellt werden. Sie weisen herausragende Physikalische Eigenschaften auf, die Anwendungen in der Nanoelektronik, für Solarzellen, Touch-Displays oder auch für Oberflächenbeschichtungen ermöglichen. Defekte spielen dabei eine entscheidende Rolle um die elektronischen, optischen oder mechanischen Eigenschaften dieser Strukturen individuell verändern und anpassen zu können. Im Rahmen des Projekts haben wir Quantenzustände in verschiedenen zweidimensionalen Kristallen modelliert, und theoretische Modelle erarbeitet, um Veränderungen der elektronischen Struktur, der Gitterschwingungen und der optischen und mechanischen Eigenschaften beschreiben zu können. In Zusammenarbeit mit experimentellen Gruppen in den USA (University of Texas in Austin), in Deutschland (RWTH Aachen) und an der TU Wien haben wir unsere Modelle erfolgreich getestet, und so zum Verständnis dieser neuen Materialien beigetragen.