Quanten-Transport in selbstorganisierten Ge Nanodrähten

Im Bereich der Informationstechnologie gibt es intensive Bemühungen, Lösungen für die Probleme zu finden, die sich aus der Miniaturisierung konventioneller komplementärer Metal Oxide Halbleiter Bauelemente (Complementary Metal-Oxide devices) ergeben. Obwohl die erste Realisierung eines Transistor 1947 auf Germanium basierte, wurde Ge in der Halbleitertechnologie über Jahrzehnte keine Bedeutung mehr beigemessen. Im Bestreben die Leistungsfähigkeit immer kleinerer Transistoren zu erhöhen, ist Ge allerdings wieder in den Fokus gekommen, aufgrund der geringeren effektiven Masse und der höheren Mobilität für Löcher in p-Typ- Transistoren. Auch im Bereich der Spin-Qubits hat sich SiGe als vielversprechendes Material etabliert. SiGe Nanostrukturen sollten aufgrund des Fehlens der Hyperfeinwechselwirkung (in isotopisch gereinigten Kristallen) längere Kohärenzzeiten haben. Für Elektronen in zweidimensionalen Elektronengasen wurden Spinkohärenzzeiten von bis zu 3 Mikrosekunden gemessen; durch die Beschränkung von Ladungsträgern in Quantenpunkten sollte es möglich sein, die Spinkohärenzzeiten weiter zu verbessern. Interessanterweise wurden vor wenigen Wochen Kohärenzzeiten für Elektronen, die an Donatoren in reinem 28Si lokalisiert sind, von bis zu 2s gemessen. Weiterhin wurde kürzlich vorgeschlagen, dass ultradünne verspannte Ge Nanodrähte eine ungewöhnlich große Spin-Bahn- Wechselwirkung haben. Diese ist größer als die Spin-Bahn-Wechselwirking in InAs und InSb-Nanodrähten, was darauf hindeutet, dass solche eindimensionale Drähte eventuell ein großes Potenzial für die Realisierung von Majorana Fermionen haben könnten. In Anbetracht der obigen Fakten kann man sogar von einer neuen Ära für Ge in der Informationstechnologie sprechen. Der Bewerber plannt solche neue physikalische Konzepte in einem Ge basierendem Materialsystem zu untersuchen: SiGe selbstorganisierte Nanostrukturen die im Stranski-Krastanow Modus gewachsen werden. Das selbstorganisierte Wachstum von kristallinen SiGe Nanostrukturen auf Si wurde zum ersten Mal im Jahre 1990 berichtet. Dies führte zu großen Erwartungen, dass solche Nanostrukturen innovative, skalierbare und CMOS- kompatible Nano-Bauelemente liefern könnten. Zwei Jahrzehnte später ist es dem Antragsteller erstmals gelungen, Bauelemte aus solchen Strukturen zu realisieren und ihre elektronische Eigenschaften zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass SiGe selbstorganisierte Quantenpunkte eine einzigartige Kombination physikalischer Phänomene zeigen, geringe Hyperfeinwechselwirkung und starke Spin-Bahn-Kopplung. In dem vorliegenden Projekt soll noch ein Schritt weiter gegangen werden. Es ist geplant, ultradünne eindimensionalen SiGe selbstorganisierte Strukturen zu untersuchen, die voraussichtlich noch vielversprechendere Eigenschaften aufweisen und sowohl für Spintronik-Anwendungen als auch für Spin / topologische Quantencomputer von Bedeutung sein werden. Ziele des vorliegenden Antrages sind: a) Die elektronischen Eigenschaften dieser Strukturen zu untersuchen, b) Spin-Injektion mit Hilfe von supraleitenden Kontakten zu realisieren, und c) zu untersuchen, ob SiGe Quantendrähte helikale Zustände haben können. Diese Systeme stellen daher eine interessante Alternative zu III-V-Nanodrähten dar, um die Physik von Majorana Fermionen zu studieren.

Seit vielen Jahrzehnten haben Forscher den Traum von der Realisierung eines Quantencomputers. In der Physik der kondensierter Materie gibt es weltweit intensive Bemühungen zu identifizieren, welche Systeme als Quanten-Bit, das Grundelement, aus dem ein solcher Quantencomputer aufgebaut wäre, verwendet werden könnten. Diesbezüglich haben wir das Potenzial eines kürzlich entwickelten Materialsystems untersucht: selbstorganisierte Germanium Nanodrähte, welche direkt auf Silizium gewachsen werden. Im Rahmen dieses Projektes haben wir die grundlegenden Eigenschaften der Nanodrähte untersucht. Durch Anlegen eines Magnetfeldes konnten wir das entartete Orbitalniveau der lokalisierten Löcher in zwei Niveaus aufspalten. Solch ein Zwei-Niveau-System kann als Quanten-Bit verwendet werden. Wir haben herausgefunden, dass sich diese Aufspaltung in zwei Niveaus durch Änderung der Richtung des angelegten Magnetfeldes verändert. Durch solche Messungen können wir ein tieferes Verständnis der Eigenschaften der lokalisierten Ladungsträger erhalten. Bei höheren Temperaturen sehen wir außerdem Anzeichen von elektronischem Transport über eindimensionale Sub-Bänder. Dadurch eröffnet sich für uns die Möglichkeit zu untersuchen, ob, wie theoretisch vorhergesagt, in Germanium helikale Zustände existieren. In diesen Zuständen bewegen sich Spins mit unterschiedlicher Ausrichtung in entgegengesetzte Richtungen. Schlussendlich haben wir erste Versuche durchgeführt um unsere Halbleiterstrukturen mit Supraleitern, welche noch im Tesla-Bereich supraleitend bleiben, zu koppeln. Solche Experimente sind der erste Schritt um zu untersuchen, ob Systeme vom Loch-Typ exotische Quasi-Teilchen, wie Majorana Fermionen, unterstützen können. Sollte dies möglich sein, kann dann das Potential von Majorana Fermionen zur Realisierung eines etwas unterschiedlichen Typs eines Quantencomputers untersucht werden.