Department of Physics (Budapest University of Technology and Economics)
Participants
Borda, László Geresdi, Attila Lukács, István Endre
Starting date
2009-04-01
Closing date
2011-03-31
Funding (in million HUF)
19.633
FTE (full time equivalent)
2.75
state
closed project
Summary in Hungarian
A számítógép hardware elmúlt évtizedekben lezajlott óriási fejlődését az áramköri elemek folyamatos miniatürizálása tette lehetővé. Az eddig alkalmazott technológiák a közeljövőben fizikai korlátokba fognak ütközni. Megoldást találni e technikai kihívásra, napjaink Nanotudományának egyik központi feladata és fontos kihatása van a fenntartható fejlődésre. Az International Technological Roadmap for Semiconductors alapján, félvezető nanovezetékek (NW), azon ígéretes anyagcsaládok közé tartoznak, amik potenciális megoldást jelenthetnek e problémára. Pályázatunk tárgya félvezető nanovezetékeken alapuló áramkörök gyártása és elektron transzport vizsgálata.
Félvezető NW-k tipikusan 10-100nm átmérőjű 5-10microm hosszúságú félvezető egykristályok. Fém elektródák párologtatásával NW-n alapuló áramkörök hozhatóak létre. Mivel kapuelektródák segítségével a nanovezetékek elektron sűrűsége széles tartományban hangolható, a transzport viselkedés tanulmányozhatóvá válik a kvázi ballisztikus limittől egészen a kvantum dot tartományig. Kivételes tulajdonságainak köszönhetően (mint pl. a sávszerkezet hangolhatósága, kontaktálási lehetőség ferromágneses (F) és szupravezető (S) elektródákkal, állapotsűrűség lokális hangolása), félvezető NW-k új távlatokat nyitnak a kvantum transzport vizsgálatok területén.
Kísérleti kvantum elektronikai vizsgálatok területén a versenyképesség elengedhetetlen feltétele, hogy a minta gyártás feltételei adottak legyenek. Jelen pályázat központi célkitűzése, hogy meghonosítsa kvantum elektronikai áramkörök elektron sugaras litográfián alapuló gyártását.
A pályázók InAs nanopálcikákon alapuló áramköröket fognak készíteni, és ezek alacsony hőmérsékleti transzport tulajdonságait vizsgálni különös tekintettel ferromágneses elektródákból történő spin injektálás valamint F-S hibrid nanostruktúrák kérdéskörére koncentrálva. A kialakításra kerülő litográfiai háttér hasznos segítségére lesz más rendszerekre koncentráló kvantum elektronikai projekteknek is.
Summary
The continuous miniaturization of electric circuit elements has provided the driving force of the enormous development of the computer hardware during the last decades. However, in the present days we are reaching the physical limits of the applied technologies. Overcomeing this technological challenge is a central issue of nowadays NanoScinece and Technology and has a high impact on sustainable development. Based on the International Technological Roadmap for Semiconductors, semiconductor nanowires (NWs) are one of the promising materials that could provide potential solution for these future technological needs. This proposal focuses on the fabrication and electron transport study of novel NW based devices.
NWs are single crystals with a typical diameter of 10-100nm and length of 5-10microm. Fabricating metallic leads to NWs, devices can be produced, where the electron density can be strongly varied by gates and the transport can be explored from the quasi-ballistic to the quantum dot regime. Due to their exceptional properties (e.g. band structure engineering, possibility to contact them with ferromagnetic (F), superconducting (S) leads, local gating), NW based devices open a new horizon in quantum transport.
In order to be competitive in the field of experimental quantum electronics, it is essential to own sample fabrication facilities. The main aim of this proposal is to establish e-beam lithography based fabrication of quantum electronic devices, which has been missing so far in the national environment.
The applicants will fabricate and investigate the low temperature transport properties of InAs NW based devices focusing mainly on spin injection from ferromagnetic leads and on F-S hybrid nanostructures. The fabrication facility will also support other ongoing quantum electronic projects.
Final report
Results in Hungarian
Az anyagtudomány fejlődésének köszönhetően számos nanoméretű objektum létrehozására nyílik mód napjainkban, ilyenek például a félvezető nanopálcák (NW). Kis méretük miatt ezek a NW-k nagyon ígéretesek kvantum elektronikai célokra. Kvantum elektronika a modern szilárdtestfizika dinamikusan fejlődő területe, melynek fő célja elektromos áramkörök kvantum mechanikai szabadsági fokainak kontrollálása és kiolvasása, mint amilyen egy mesterséges atomba (QD) zárt elektron spinje.
Jelen projektben nanoméretű áramkörök készítésére és kvantum effektusainak alacsony hőmérsékleti vizsgálatára alkalmas infrastruktúrát építettünk ki.
Vizsgáltuk InAs NW-kból és szupravezető (S) ill. ferromágneses (F) elektródák kombinációjából készített áramköröket. InAs NW-ban kialakított dupla kvantum dotot szupravezetőhöz csatolva megmutattuk, hogy Cooper- párokat lehet térben szeparálni, ami megnyitja az utat mobil elektronokból álló Einstein Podolsky Rosen párok keltésére és összefonódottságuk tanulmányozására. Másrészről, ha F vezetéket kapcsolunk InAs NW-ban kialakított QD-hoz, akkor a ferromágnesség lokális kicserélődési téret kelt a mesterséges atomon. Megmutattuk, hogy ez a tér erősen függ a QD töltés állapotától. Sőt a tér még előjelet is válthat ugyanazon töltés állapotban, lehetővé téve az alap állapot spinjének megfordítását kapu feszültség segítségével. Megmutattuk, hogy egy ilyen F-QD rendszer hatékony spin áram erősítőként tud funkcionálni.
Results in English
Recent development in material science allowed the synthesis of various nanoscale objects, like semiconductor nanowires (NW). Due to their small size, these NWs are very attractive for quantum electronic purpose. Quantum electronics is a dynamically progressing field of modern solid state physics, where the central goal is to manipulate and read out quantum mechanical degrees of freedom of circuits, like the spin of an electron trapped into a quantum dot (QD).
In the present project the fabrication and transport characterization infrastructure have been established, which allows the production of nanocircuits and exploring their quantum effects in cryogenic measurements.
We have investigated various InAs NW based electric circuits, where superconducting (S) and ferromagnetic (F) leads were attached to the wire. Coupling S lead to NW based double QD system, we have demonstrated, that Cooper pairs can be separated, which opens the way for Einstein Podolsky Rosen pair generation and entanglement analysis of mobile electrons. On the other hand attaching F lead to a QD, ferromagnetism penetrates into the dot inducing a local exchange field. We have shown that this exchange field strongly depends on the charge state of the QD. Furthermore it can even change sign for the same state, which allows the spin reversal of the ground state of the QD by gate voltage. We have shown that such an F- quantum dot system act as an efficient spin current amplifier.
