Künstliche Quantenzustände auf Halbleiteroberflächen erzeugt und untersucht mittels Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopie

• Antragsteller: Dr. Stefan Fölsch
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437494632

In diesem Projekt setzen wir Rastertunnelmikroskopie (STM) bei tiefen Temperaturen ein, um künstliche Quantenstrukturen auf Halbleiteroberflächen zu erzeugen und ihre elektronischen Eigenschaften mit Hilfe der Rastertunnelspektroskopie (STS) zu untersuchen. Um die Strukturen zu erzeugen, haben wir eine hochgradig kontrollierbare Methode der Atommanipulation auf der InAs(111)A-Oberfläche entwickelt. Die reine InAs(111)A-Oberfläche besitzt einen Oberflächenzustand und positiv geladene In-Adatome, die mit der STM-Spitze neu positioniert werden können. Dadurch ist es möglich, die elektrostatische Potenziallandschaft gezielt zu verändern und Ladungsträger mit atomarer Präzision räumlich einzuschränken. Wir haben gezeigt, dass auf diese Weise einzelne Quantenpunkte und Quantenpunktmoleküle mit perfekt definierter Energieniveau-Struktur erzeugt werden können. Weiterhin haben wir dimerisierte Quantenpunktketten konstruiert, die an den Enden sowie an inneren Domänenwänden lokalisierte Zustände aufweisen, welche mit topologischen Grenzflächenzuständen konsistent sind, wie sie das Su-Schrieffer-Heeger-(SSH)-Modell vorhersagt. Aufbauend auf unseren bisherigen Arbeiten wollen wir im neuen Projektzeitraum drei Hauptziele (Themenbereiche) angehen: (i) Eingehende Analyse und vollständige Beschreibung der Energieniveau-Struktur von Quantenpunktmolekülen unter Berücksichtigung von Hybridisierungseffekten, die über ein einfaches s-Orbital-„Tight-Binding“-Modell hinausgehen. (ii) Erweiterung auf künstliche Quantenpunktanordnungen auf der InAs(110)-Spaltfläche; letztere weist wesentlich größere Terrassengrößen auf und sollte damit die Konstruktion ausgedehnterer Strukturen wie z.B. von Kagomé-Gittern und zweidimensionalen Analogien des SSH-Modells ermöglichen. (iii) STM/STS und Atommanipulation auf (110)-gespaltenen III-V-Halbleiter-Heterostrukturen mit einem Bandkanten-Design, bei dem Schichten mit breiter Bandlücke in Schichten mit schmaler Bandlücke eingebettet sind; wir gehen davon aus, dass die Ergebnisse dieses Themenbereichs die Grundlage für künftige Forschungsarbeiten bilden werden, welche die Realisierung externer Elektroden zur elektrischen Ansteuerung der STM-generierten Quantenstrukturen zum Ziel haben. Perfekt definierte und abstimmbare Oberflächenstrukturen auf Halbleitern, wie sie in unserem Projekt untersucht werden, bieten detaillierte Einblicke in das Verhalten von Elektronen in reduzierten Dimensionen. Diese Erkenntnisse sind sowohl für die Grundlagenforschung als auch für künftige Quantentechnologien von Bedeutung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz, USA
• Kooperationspartner: Dr. Steven C. Erwin; Dr. Rüdiger Schott; Professor Dr. Werner Wegscheider