Einzelelektronenschaltungen mit ballistischen heißen Elektronen

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 ElektronElektron- 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.