Autor: Lars Freise

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.