dc.contributor.author
Locane, Elina
dc.date.accessioned
2018-06-07T23:00:07Z
dc.date.available
2018-04-06T09:08:42.181Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/9910
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-14108
dc.description.abstract
Switching processes are widespread in nature and technology, from receptor
switches in cell membranes to semiconductor transistors present in almost
every electronic device today. They play a crucial role in communication,
since the inherent discreteness of these processes leads to higher noise
tolerance compared to analog communication. Another observation concerning
information processing is the rapid miniaturization of integrated circuits
that has taken place during the past six decades. The size of the components
of an electronic device is reaching the regime where quantum interference and
charge quantization become important. It is therefore necessary to investigate
how electronic devices function at very small size scales. This thesis
connects the two aforementioned aspects and looks at different switching
processes at the nanoscale. The discrete nature of quantum mechanical systems,
such as energy and spin quantization, often provides a setting where some kind
of switching is built-in. We look at three different models that involve
switching. The first one is concerned with electron spin. The possibility to
control and manipulate it has created the field of spintronics that aims to
use the spin degree of freedom for information transfer and processing. In
this work we investigate the switching of spins on the surface of a
topological insulator by passing a current through the surface. The perfect
correlation between electron spin and momentum on topological insulator
surfaces provides a handle for the spin without the need to apply a magnetic
field. The spin-momentum locking also increases the efficiency of the
mechanism compared to other materials. Another model we investigate stems from
electron quantum optics, a field that aims to reproduce quantum optics
experiments with electrons instead of photons. We look at how an abrupt
switching of the conductance of a quantum point contact affects the shape of a
transmitted wave packet as part of a protocol for electron tomography. In
particular, we investigate how the Wigner function of the wave packet
transforms during scattering off different potentials and derive a quantum
mechanical expression for the transmitted charge through a quantum point
contact under the influence of the potential. A third model we look at is that
of a single-molecule transistor. The motivation for this is an experimentally
observed conductance gap in the gate voltage-bias voltage diagram that differs
from the expected single-electron transistor picture. We introduce a
modification in the model by allowing the molecule to be in different
conformations whose lower-energy states are differently charged. This leads to
a qualitative agreement with the experimental results. This single-molecule
transistor can be regarded as a switch in two aspects — in the conventional
transistor sense, as well as a conformational switch that can be controlled
with the gate or bias voltage.
de
dc.description.abstract
Schaltprozesse sind in Natur und Technik allgegenwärtig. Beispiele liefern
Rezeptorschalter in Zellmembranen oder Halbleitertransistoren, die in fast
allen elektronischen Geräten vorkommen. Schalter spielen eine wichtige Rolle
in Kommunikationsprozessen, da ihre diskreten Zustände eine erhöhte
Rauschtoleranz zur Folge hat. Ein anderer Aspekt der Informationsverarbeitung
ist die seit sechzig Jahren fortschreitende Miniaturisierung von integrierten
Schaltungen. Die Größe der Bauelemente erreicht mittlerweile Dimensionen, bei
denen Quanteneffekte wie Interferenz oder die Ladungsquantisierung relevant
werden. Es ist daher nötig, zu untersuchen, wie elektronische Bauteile auf
sehr kleinen Längenskalen funktionieren. Diese Dissertation verbindet die
beiden genannten Aspekte und betrachtet verschiedene Schaltprozesse auf der
Nanoskala. Dabei sind Schaltprozesse schon in der diskreten Natur von
quantenmechanischen Systemen eingebaut — wie zum Beispiel durch Energie- oder
Spinquantisierung. Im Folgenden betrachten wir drei verschiedene Modelle, die
Schaltprozesse involvieren. Im ersten Fall geht es um den Spin von Elektronen.
Die Möglichkeiten zur Kontrolle und Manipulation von Spins haben das Feld der
Spintronik hervorgebracht, welches Spins für Informationsaustausch und
-verarbeitung benutzen möchte. In dieser Arbeit untersuchen wir das Schalten
von Spins auf topologischen Isolatoren durch Oberflächenströme. In diesen
Materialien erlaubt die perfekte Korrelation von elektronischem Impuls und
Spin ohne externe Magnetfelder auszukommen und ermöglicht eine im Vergleich zu
anderen Materialien erhöhte Effizienz. Ein anderes Modell stammt aus dem Feld
der elektronischen Quantenoptik, welche versucht quantenoptische Experimente
mit Elektronen anstatt mit Photonen zu reproduzieren. Wir untersuchen, wie das
abrupte Schalten eines Quantenpunktkontakts als Teil eines Protokolls für
Elektronentomographie die Form des transmittierten Wellenpakets beeinflusst.
Insbesondere untersuchen wir, wie sich die Wignerfunktion des Wellenpakets
während Streuung an verschiedenen Potentialen verändert und leiten einen
quantenmechanischen Ausdruck für die durch den Quantenpunktkontakt
transmittierte Ladung her. Ein drittes Modell ist der Einzel-Molekül-
Transistor. Die Motivation für unsere Arbeit besteht aus einer experimentell
beobachteten Leitfähigkeitslücke im Basisspannungs-Vorspannungs-Diagramm,
welche nicht durch die Theorie des Ein-Elektronentransistors erklärbar ist.
Wir modifizieren das Modell, indem wir für das Molekül verschiedene
Konformationen mit unterschiedlich geladenen Niedrigenergiezuständen annehmen.
Diese Modifikation kann die experimentellen Resultate qualitativ erklären. Der
Einzel-Molekül-Transistor kann auf zwei Arten als Schalter verstanden werden —
zunächst im konventionellen Sinne als auch als konformativer Schalter, der
durch die angelegten Spannungen kontrolliert werden kann.
de
dc.format.extent
ix, 105 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
single-molecule transistor
dc.subject
electron tomography
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
dc.title
Switching processes in mesoscopic systems
dc.contributor.contact
elina.locane@fu-berlin.de
dc.contributor.firstReferee
Piet W. Brouwer
dc.contributor.furtherReferee
Felix von Oppen
dc.date.accepted
2018-03-20
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000106893-2
dc.title.translated
Schaltprozesse in mesoskopischen Systemen
de
refubium.affiliation
Physik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000106893
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000023555
dcterms.accessRights.dnb
free
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open access