Coupling Quantum Point Contacts via Ballistic Electron Optics

Abstract

In future electronics, quantum effects in integrated circuits containing coupled nanostructures will play a key role. In this framework, the coupling between distant on-chip components could be realized by the exchange of ballistic electrons. The present thesis aims at optimizing the exchange of ballistic electrons between quantum point contacts (QPCs), fundamental building blocks of quantum circuits. To couple distant QPCs, we use the concept of ballistic electron optics.

In the first experimental part of this thesis, we study the actual electrostatic potential shape of a gate-defined single QPC by measuring its one-dimensional subband spacings. The potential shape is central for the emission process of ballistic electrons as well as interaction effects. Comparing the measured subband spacings of the QPC to models of lateral parabolic versus hard-wall confinement, we find that it is compatible with the parabolic saddle-point scenario near pinch-off. However, as we increase the number of populated subbands, Coulomb screening flattens the potential bottom and a description in terms of a hard-wall potential becomes more realistic.

In the second experiment, we consider the ballistic and laterally coherent electron transport through two distant QPCs in series in a three terminal configuration. We study the emission and detection properties of the QPCs in detail via magnetic deflection of ballistic electrons in a perpendicular magnetic field. Additionally, we enhance the serial transmission by using a field effect electron lens. Comparing our measurements with quantum mechanical and classical calculations we discuss generic features of the quantum circuit and demonstrate how the coherent and ballistic dynamics depend on the details of the QPC confinement potentials.

In a third experiment, we consider an open ballistic electronic cavity formed by four QPCs. Performing bias voltage spectroscopy measurements, we characterize coherent Fabry-Pérot-like resonances. Furthermore, we find fingerprints of a transition from chaotic to integrable cavity dynamics in magnetotransport measurements, as we decrease the size of the cavity.

Finally, in a fourth experiment, we investigate a parabolic, open and ballistic electronic cavity. Working at a higher temperature, where the QPCs are better described as classical pinholes without coherent mode structure, we demonstrate how the serial transmission through the two pinholes can be enhanced by the cavity.

In der zukünftigen Elektronik werden Quanteneffekte in integrierten Schaltkreisen mit gekoppelten Nanostrukturen eine Schlüsselrolle spielen. In diesem Rahmen könnte die Kopplung zwischen entfernten On-Chip-Komponenten durch den Austausch von ballistischen Elektronen realisiert werden. Die vorliegende Dissertation zielt auf die Optimierung des Austauschs von ballistischen Elektronen zwischen Quantenpunktkontakten (QPCs) ab, fundamentalen Bausteinen von Quantenschaltkreisen. Um entfernte QPCs zu koppeln, wird das Konzept der ballistischen Elektronenoptik verwendet.

Im ersten experimentellen Teil dieser Dissertation wird zunächst die tatsächliche elektrostatische Potentialform eines einzelnen gatterdefinierten QPCs anhand seiner gemessenen, eindimensionalen Subbandabstände bestimmt. Die Potentialform ist zentral für den Emissionsprozess ballistischer Elektronen sowie für Wechselwirkungseffekte. Nach Vergleich der gemessenen Subbandabstände des QPCs mit dem lateral Parabolischen- bzw. Hard-Wall-Einschlusspotential-Modell stellt sich heraus, dass dieser vor dem Abschnüren mit dem parabolischen Sattelpunkt-Szenario kompatibel ist. Sobald jedoch mehrere Subbänder bevölkert werden, bewirkt Coulomb-Abschirmung ein Abflachen des Potentialbodens. Hier ist eine Beschreibung durch das Hard-Wall-Potential realistischer.

Im zweiten Experiment wird der Transport ballistischer und lateral kohärenter Elektronen durch zwei entfernte QPCs in Serie betrachtet. Die Emissions- und Detektionseigenschaften der QPCs werden im Detail durch Ablenkung ballistischer Elektronen in einem senkrechten Magnetfeld untersucht. Zusätzlich wird die Serientransmission durch eine Feldeffekt-Linse für Elektronen verstärkt. Anhand des Vergleichs der Messungen mit quantenmechanischen sowie klassischen Rechnungen werden generische Eigenschaften des Quantenschaltkreises diskutiert. Es wird gezeigt, wie die kohärente und ballistische Dynamik von den Details des QPC-Einschlusspotentials abhängt.

In einem dritten Experiment wird eine offene, ballistische elektronische Kavität untersucht, welche durch vier QPCs realisiert wird. Mithilfe von Bias-Voltage-Spektroskopie werden kohärente, Fabry-Pérot-artige Resonanzen charakterisiert. Darüber hinaus liefern Magnetotransportmessungen Hinweise auf einen Übergang von chaotischer zu integrabler Dynamik in der Kavität, sobald diese verkleinert wird.

Schließlich wird eine parabolische, offene und ballistische Kavität untersucht. Bei erhöhter elektronischer Temperatur, bei welcher QPCs besser als klassische Blendenöffnungen ohne kohärente Modenstruktur beschrieben werden, wird gezeigt, wie die Serientransmission durch zwei Blenden über die Kavität erhöht werden kann.