Austauschfelder und Relaxationszeiten in Quantenpunkte

• Antragsteller: Professor Dr. Herbert Schoeller; Professor Dr. Maarten Rolf Wegewijs
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263334920

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer theoretischen Beschreibung (A) des zeitlichen Relaxationsverhaltens von zusammengesetzten Quantenpunktsystemen und (B) Austauscheffekten in Quantenpunkt-Spinventilen. Beide sind wichtige Probleme für die Charakterisierung der zeitlichen Antwort nanoelektronischer Systeme auf externen Antrieb und Steuerung. In Teilprojekt (A) werden wir die zeitliche Relaxation eines zusammengesetzten, aus dem Gleichgewicht gebrachten Quantenpunktsystems berechnen und bestimmen, wie der Strom durch einen Quantenpunkt die Relaxationsmoden eines anderen Quantenpunktes misst. Dies zu verstehen ist wesentlich für die physikalischen und technologischen Anwendungen von extern getriebenen Quantenpunkt-Bauelementen, z. B. für das Zählen einzelner Elektronen und das Auslesen eines Quantenbits. Besonderes Interesse gilt der kürzlich vorhergesagten Fermionen-Paritätsmode eines Quantenpunktes: Aufgrund einer fundamentalen Superauswahlregel der Quantenmechanik ist diese Mode unempfindlich gegenüber der Coulomb-Wechselwirkung und weiteren lokalen Effekten auf dem Quantenpunkt. In Teilprojekt (B) werden wir den Transport zwischen nicht kollinearen Ferromagneten berechnen, die über einen Quantenpunkt gekoppelt werden. Hierbei sollen Austauschfelder berücksichtigt werden, die sowohl aus der spinabhängigen Breite des Quantenpunktpotentials, als auch aus dem Tunneln in Kombination mit der Coulombwechselwirkung erwachsen. Beide Mechanismen sind grundlegend für die Realisierung der zeitabhängigen Steuerung einzelner Spins in Nanostrukturen, z. B. in der Spintronik und der Quanteninformation. Stationäre und zeitabhängige Messungen zur Unterscheidung beider Effekte sollen vorgeschlagen werden. Speziell soll die Zeitentwicklung der Austauschfelder nach Anschalten des Tunnelns berechnet werden. In beiden Teilproblemen werden wir die Formulierung der Realzeit-Transporttheorie mit Hilfe der "Superfermionen" anwenden. Dieser neue Zugang zeigt fundamentale Aspekte von Nichtgleichgewichtsprozessen auf und ermöglicht eine effizientere, direkte Berechnung der Zeitentwicklung des Dichteoperators, ergänzend zu der physikalisch leichter zugänglichen Formulierung über quantenkinetische Gleichungen gekoppelter Observablen. Wichtig für das vorgeschlagene Projekt ist die Möglichkeit innerhalb der gleichen Formulierung Korrekturen höherer Ordnungen in komplementären Grenzfällen systematisch behandeln zu können: starke Wechselwirkung und schwaches Tunneln einerseits und starkes Tunneln und schwache Wechselwirkung andererseits. Die Methode vereinfacht viele der benötigten Rechnungen, hat schon zu exakten Ergebnissen geführt (z. B. die Fermionen-Paritätsmode betreffend) und scheint vielversprechend für die Realisierung des vorgeschlagenen Programms. Jedes Teilprojekt involviert einen externen Forscher mit Expertise im Bereich der Modellierung der entsprechenden nanoelektronischen Bauelemente in enger Kollaboration mit führenden experimentellen Gruppen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Schweden
• Beteiligte Personen: Dr. Audrey Cottet; Professorin Dr. Janine Splettstößer