Single electron circuits with ballistic hot electrons
Description
In contrast to photonic quantum optics, electron quantum optics is based on utilizing the quantum states of fermions instead of bosons, whose different particle statistics can be visualized in equivalent setups. The development of clocked electron sources and their combination with charge detectors enable performing and observing such experiments on the scale of individually isolated electron wave packets. The non-adiabatic single-electron pump, also applied in metrology, represents an example of these electron sources and provides single hot (i.e. high-energy) electrons on demand. In this work, the foundations are laid for combining a single-electron pump with electron quantum optics experiments at excess energies far from thermal equilibrium, where single ballistic (i.e. propagating almost interaction-free) electrons will be detected individually by means of a charge detector. For this purpose, the electronic transport at excess energies of many millielectronvolts is investigated as a function of various influencing parameters on the basis of a large number of different wafers and geometries. In addition to material properties such as impurities, electron-electron and electron-LOphonon interactions are observed here as interaction mechanisms relevant for the scattering of hot electrons, each playing a dominant role in different energetic regimes. In particular, interactions with longitudinal optical phonons are investigated in detail and good agreement to the descriptive model of an electron in a transverse parabolic confinement potential is found. Altogether, for the minimization of scattering that is crucial in an interference-based experiment, an intermediate regime is identified as the optimal regime of hot-electron excess energies. A single-shot mode to operate and evaluate clocked single-electron circuits is presented, which based on a reconstruction of the detector characteristic extracts the full counting statistics of a transport experiment. Subsequently, this operating mode is transferred into a circuit with injection of hot ballistic electrons. Their successful detection means that an electron, which in a first step propagates through a single-electron circuit almost free of interactions, can in a second step be captured for detection by a charge detector in a controlled and reproducible manner. Finally, by integrating two of these detector elements into a single circuit, evaluation of coincidence correlations is demonstrated in a circuit where multiple electrons are injected.
Availability note (English)
Available from: http://dx.doi.org/10.7795/110.20211111Abstract (German)
Die Elektronen-Quantenoptik basiert im Vergleich zur photonischen Quantenoptik auf der Ausnutzung der Quantenzustände von Fermionen anstelle von Bosonen, deren unterschiedliche Teilchenstatistiken in äquivalenten Versuchsanordnungen sichtbar gemacht werden können. Die Entwicklung getakteter Elektronenquellen und deren Kombination mit Ladungsdetektoren ermöglichen die Durchführung und Beobachtung solcher Experimente auf der Skala einzeln isolierter Elektronenwellenpakete. Ein Beispiel derartiger Elektronenquellen ist die auch in der Metrologie verwendete nicht-adiabatische Einzelelektronenpumpe, die auf Anregung hin einzelne heiße (d. h. energiereiche) Elektronen bereitstellt. In dieser Arbeit werden die Grundlagen für die Kombination einer solchen mit einem elektronenquantenoptischen Experiment bei Überschussenergien fernab des thermischen Gleichgewichtes gelegt, wobei einzelne ballistische (d. h. sich nahezu wechselwirkungsfrei ausbreitende) Elektronen dann mittels eines Ladungsdetektors separat nachgewiesen werden. Dafür wird zunächst anhand einer Vielzahl von Strukturen mit unterschiedlichen Wafern und Geometrien in Abhängigkeit verschiedener Einflussgrößen der elektronische Transport bei Überschussenergien vieler Millielektronenvolt untersucht. Neben Materialeinflüssen wie Störstellen werden als für die Streuung heißer Elektronen relevante Wechselwirkungsprozesse hier vor allem Elektron-Elektron- und Elektron-LO-Phonon-Wechselwirkungen beobachtet, die jeweils in unterschiedlichen energetischen Regimen dominieren. Es wird insbesondere die Wechselwirkung mit longitudinal optischen Phononen eingehend untersucht und eine gute Übereinstimmung zu einem anschaulichen Modell eines Elektrons in einem transversalen parabolischen Einschlusspotential festgestellt. Insgesamt wird für die in einem interferenzbasierten Experiment entscheidende Minimierung der Streuung ein optimaler Bereich von Überschussenergien heißer Elektronen in einem intermediären Regime ausgemacht. Zunächst getrennt davon wird ein Single-Shot-Betriebsmodus für Antrieb und Auswertung getakteter Einzelelektronenschaltkreise vorgestellt, welcher aufbauend auf einer Rekonstruktion der Detektorkennlinie die vollständige Zählstatistik eines Transportexperimentes extrahiert. Anschließend wird dieser Modus in eine Schaltung mit Injektion heißer ballistischer Elektronen übertragen. Deren erfolgreiche Detektion bedeutet, dass ein Elektron, welches sich in einem ersten Schritt nahezu wechselwirkungsfrei durch eine Einzelelektronenschaltung bewegt, in einem zweiten Schritt zum Nachweis durch den Ladungsdetektor kontrolliert und reproduzierbar eingefangen werden kann. Abschließend wird demonstriert, wie durch Integration zweier solcher Detektorelemente in einer Schaltung bei Injektion mehrerer Elektronen die Koinzidenzkorrelationen bestimmt werden können.Additional details
Additional titles
- Original title (German)
- Einzelelektronenschaltungen mit ballistischen heißen Elektronen
Identifiers
- DOI
- 10.7795/110.20211111;
Publishing Information
- ISBN
- 978-3-95606-620-7
- Imprint Pagination
- 215 p.
- ISSN
- 0341-6674
- Report number
- PTB-E--119
INIS
- Country of Publication
- Germany
- Country of Input or Organization
- Germany
- INIS RN
- 53075057
- Subject category
- S71: CLASSICAL AND QUANTUM MECHANICS, GENERAL PHYSICS;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis, Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- BOSONS; ELECTRON SOURCES; METROLOGY; PHONONS; QUANTUM OPTICS; QUANTUM STATES; THERMAL EQUILIBRIUM
- Descriptors DEC
- EQUILIBRIUM; OPTICS; PARTICLE SOURCES; QUASI PARTICLES; RADIATION SOURCES