Quantenpunktkontakt

Ein Quantenpunktkontakt (engl. Quantum Point Contact; QPC) ist eine Verjüngung zwischen zwei ausgedehnten leitfähigen Bereichen, deren Breite im Bereich der Elektronenwellenlänge liegt. Er wurde erstmals 1988 von Bart van Wees, Henk van Houten, Carlo Beenakker und Kollegen untersucht. Heute stellen Quantenpunktkontakte ein grundlegendes Bauelement für Transportuntersuchungen in mesoskopischen Strukturen dar.

Ein Quantenpunktkontakt ist ein eindimensionales quantenmechanisches Gebilde, ähnlich dem Quantendraht. Er kann beispielsweise durch Aufbringen zweier nahe beieinander liegender metallischer Gates auf einen modulationsdotierten (Al)GaAs-Wafer hergestellt werden. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Gates reduziert sich das zweidimensionale Elektronengas der GaAs-Heterostruktur zu einer Dimension und wird drahtförmig.

Wird Strom durch den Quantenpunktkontakt geleitet, so nehmen am Ladungstransport in n-dotierten Halbleitern und Metallen praktisch nur Elektronen nahe der Fermikante teil. Dies gilt umso strenger, je niedriger die Temperatur verglichen mit der Fermitemperatur ist. Den am Transport teilnehmenden Elektronen kann eine einheitliche Fermiwellenlänge zugewiesen werden. Da nur Elektronen einer bestimmten Wellenlänge am Transport teilnehmen, zeigt der Quantenpunktkontakt ähnliche Eigenschaften wie ein Hohlleiter. Bei Variation der Breite des Quantenpunktkontakts durch Veränderung der an die metallischen Gates angelegten Spannung kann stets nur eine ganze Zahl von Moden am Transport teilnehmen. Da jede Mode einem quantenmechanischen Zustand entspricht, kann diese wegen des Pauli-Prinzips zu einem bestimmten Zeitpunkt nur von einem Elektron besetzt werden. Jeder dieser Kanäle trägt zum Gesamtleitwert ein Leitwertsquantum von $e^{2}/h$ bei. So entsteht die typische Stufenform des Leitwertes bei Veränderung der Gatespannung. Die Tatsache, dass die Stufen bei $2e^{2}/h$ liegen, ist dadurch zu begründen, dass jeder Ortszustand von zwei Elektronen unterschiedlichen Spins besetzt werden kann.

Literatur

C.W.J.Beenakker und H. van Houten, Quantum Transport in Semiconductor Nanostructures, Solid State Physics, Volume 44, Philips Research Laboratories (1991)
B.J. van Wees et al. Quantized conductance of point contacts in a two-dimensional electron gas, Phys. Rev. Lett. 60, 848 (1988)

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