dc.contributor.author
Karzig, Torsten
dc.date.accessioned
2018-06-07T20:28:03Z
dc.date.available
2012-07-11T11:04:32.978Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/6876
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-11075
dc.description
1 Introduction 2 The Luttinger model 3 Energy partitioning of tunneling
currents into Luttinger liquids 4 Curvature induced relaxation in quantum
wires 5 Relaxation and edge reconstruction in integer quantum Hall systems 6
Scattering theory of current induced forces in nanoelectromechanical systems 7
Conclusions and outlook
dc.description.abstract
Recent advances of experimental nanofabrication techniques draw increasing
attention to the non-equilibrium behavior of low dimensional systems. Of
particular interest are the strongly interacting one dimensional systems whose
description in out of equilibrium situations remains a theoretical challenge.
This thesis contributes to the understanding of important elementary processes
in the non-equilibrium physics of one dimensional electron systems. Tunneling
of an electron into a Luttinger liquid leads to partitioning of its charge and
energy into counter-propagating modes. This thesis studies the partitioning of
the energy which had previously remained unexplored. It turns out that energy
partitioning is essentially independent of the charge partitioning and one can
even reach conditions such that energy and charge propagate in opposite
directions. Another important difference is their experimental accessibility.
In contrast to the charge, energy partitioning provides a measurable
characteristic of the tunneling process even in dc setups and we propose
experimental geometries that allow for tuning and detecting energy
partitioning. At higher excitation energies it becomes necessary to include
curvature effects of the electron dispersion. Another part of this thesis
discusses the consequences of curvature induced three-body collisions on the
relaxation in quantum wires. This is particularly interesting due to the
integrability of the Luttinger model which does not allow for thermalization
within this paradigm of one dimensional systems. In this thesis we derive
energy relaxation rates due to three-body processes beyond the Luttinger model
within a well-defined perturbative approach. It turns out that the electron
spin and the long range Coulomb interaction are important ingredients for a
quantitative description of recent experiments which we provide in this
thesis. Furthermore, we study the influence of three-body collisions on the
energy relaxation in integer quantum Hall edge states. We specifically address
different interaction induced edge reconstruction scenarios and find that edge
reconstruction strongly enhances the energy relaxation. This is particularly
pronounced when the reconstruction creates additional counter-propagating
modes. Finally, we discuss another system which is crucially controlled by
non-equilibrium effects. The so called nanoelectromechanical systems show a
coupling between the electronic and mechanical degrees of freedom. The
electron current can thus influence the mechanical motion which leads to a
number of interesting applications. Previous theoretical studies on the basis
of non-equilibrium Green's functions showed that these current induced forces
can be expressed in terms of intuitive scattering matrix expressions. This
thesis sheds considerable light on this observation by providing a much more
satisfactory and concise derivation of the scattering theory of current
induced forces.
de
dc.description.abstract
Jüngste experimentelle Fortschritte in der Herstellung von Nanostrukturen
werfen vermehrt Fragen zum Nichtgleichgewichtsverhalten niedrigdimensionaler
Systeme auf. Von besonderem Interesse sind dabei die stark wechselwirkenden
eindimensionalen Elektronensysteme, deren Physik jenseits des thermischen
Gleichgewichts man erst langsam zu verstehen beginnt. Die vorliegende Arbeit
trägt zu diesem Verständnis bei und diskutiert grundlegende Elementarprozesse
in der Nichtgleichgewichtsphysik eindimensionaler Elektronensysteme. Wenn ein
niederenergetisches Elektron in eine eindimensionale Luttingerflüssigkeit
tunnelt, werden seine Ladung und Energie in gegenläufige Anregungen
aufgeteilt. In dieser Doktorarbeit wird die bisher noch nicht verstandene
Energieaufteilung untersucht. Es stellte sich dabei heraus, dass sich Ladung
und Energie gänzlich unabhängig voneinander aufteilen und sich sogar
gegenläufig ausbreiten können. Ein weiterer wichtiger Unterschied besteht in
ihrer experimentellen Zugänglichkeit. Im Gegensatz zur Ladung kann die
Energieaufteilung in Gleichstromexperimenten nachgewiesen werden und wir
schlagen experimentelle Geometrien zur Steuerung und Messung der
Energieaufteilung in eindimensionalen Systemen vor. Bei höheren
Anregungsenergien wird es notwendig den Krümmungseffekt der
Elektronendispersion mit in Betracht zu ziehen. Ein weiterer Teil der
vorliegenden Arbeit diskutiert die Auswirkung von krümmungsinduzierten
Dreiteilchenstreuprozessen auf die Relaxation in Quantendrähten. Dies ist
insbesondere deshalb hochinteressant, weil das Standardmodell eindimensionaler
Systeme (Luttingermodel) integrabel ist und somit keine Thermalisierung
zulässt. In einer wohldefinierten Störungstheorie jenseits des Luttingermodels
bestimmt diese Arbeit die Energierelaxationsraten dieser
Dreiteilchenstreuprozesse. Dabei stellt sich heraus, dass der Elektronenspin
und die langreichweitige Coulombwechselwirkung von zentraler Wichtigkeit für
die Relaxation sind. Unter Betrachtung dieser liefern wir eine quantitative
Beschreibung eines kürzlich durchgeführten Experiments. Im weiteren Verlauf
der Arbeit werden die Auswirkungen der Dreiteilchenstreuprozesse auf die
Energierelaxation in Quanten-Hall Randzuständen untersucht. Dabei wird
insbesondere der Effekt einer wechselwirkungsinduzierten Randrekonstruktion
betrachtet. Letztere führt zu einer Beschleunigung der Energierelaxation, die
insbesondere dann stark ausgeprägt ist, wenn die Rekonstruktion zusätzliche
gegenläufige Randzustände erzeugt. Im abschließenden Teil der Arbeit wird ein
weiteres System untersucht, bei dem Nichtgleichgewichtseffekte eine
entscheidende Rolle spielen. Die sogenannten nanoelektromechanischen Systeme
weisen eine Kopplung von mechanischen und elektronischen Freiheitsgraden auf.
Ein elektrischer Strom kann somit die mechanische Bewegung beeinflussen, was
eine Reihe von interessanten Anwendungen ermöglicht. Vorangehende theoretische
Untersuchungen mit Hilfe von Nichtgleichgewichts-Greenfunktionen haben
gezeigt, dass sich die strominduzierten Kräfte letztendlich durch intuitive
Streumatrixausdrücke beschreiben lassen. Diese Arbeit gibt nun tiefere
Einblicke in diesen Zusammenhang und liefert eine vollständig
streutheoretische Beschreibung der strominduzierten Kräfte.
de
dc.format.extent
VIII, 116 S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Luttinger liquid
dc.subject
Quantum Hall edge states
dc.subject
Nanoelectromechanical systems
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik
dc.title
Low dimensional electron systems out of equilibrium
dc.contributor.firstReferee
Prof. Felix von Oppen, PhD
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Piet W. Brouwer
dc.date.accepted
2012-07-09
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000038303-0
dc.title.translated
Niedrigdimensionale Elektronensysteme im Nichtgleichgewicht
de
refubium.affiliation
Physik
de
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FUDISS_thesis_000000038303
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000011511
dcterms.accessRights.dnb
free
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open access