Spin blockade spectroscopy in a carbon nanotube double quantum dot transistor

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-222403
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.22240

Preusche-Rogstad, Dominik Oliver

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Date of publication of this fulltext: 20 Mar 2012 10:53

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Series of the University of Regensburg:	Dissertationsreihe der Fakultät für Physik der Universität Regensburg
Volume:	24
Date:	20 March 2012
Referee:	Prof. Dr. Christoph Strunk and Prof. Dr. Jascha Repp
Date of exam:	26 September 2011
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Weiss > Group Christoph Strunk
Keywords:	Mesoscopic physics, single-walled carbon nanotubes, electronic transport, double quantum dot, electronic spin, spin blockade, spintronics
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	22240

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Abstract (English)

Abstract (English)

This thesis investigates how the tunnel current through clean, single-walled carbon nanotube-based quantum dot systems is influenced by spin phenomena. Its focus lies on Pauli spin blockade effects. Such spin blockade effects are experimentally observed here in the clear-cut transport spectrum of a serial double quantum dot device in the regime of capacitive and weak tunnel interdot coupling. With a simple model, based on a sequential tunneling description of the double quantum dot as ’two interacting artificial atoms’, spin blockade is used as a means of spectroscopy on spin and charge interdot transitions. This spin blockade spectroscopy reveals the evolution of the interdot transitions with different energy scales. Singlet-triplet spin blockade is lifted when a linear combination of interdot detuning gate energy and Zeeman energy is equal or greater than the singlet-triplet splitting of an effective (2,0) charge configuration. The resulting ‘spin blockade triangles’ (in analogy to ‘Coulomb diamonds’ in current maps as a function of a gate voltage and the bias) are experimentally observed also at finite interdot detuning and symmetrically at finite magnetic fields. Controllable trapping of single spins by means of spin blockade requires an accurate characterisation of its energy scales. The present results can provide a working point for spin blockade in a double quantum dot that is used as a module in forthcoming spintronics circuits. Two other potential spintronics module setups, based on a spin valve configuration and on Kondo effects, are also investigated. The next conclusive step is to integrate these spintronics modules, together with a superconducting electrode acting as a Cooper-pair spin splitter, into a spin lab on a chip built from SWCNT-based quantum dot systems. Such a spin lab provides a suitable model system for fundamental research interests. At the same time, it may inspire novel solid state spintronics or quantum computing. applications.

Translation of the abstract (German)

Diese Dissertation untersucht der Tunnelstrom durch einen auf reinen, einzelwandigen Kohlenstoffnanoröhre basierenden Quantenpunktsystemen durch Spinphänomene beeinflußt wird. Der Fokus liegt auf Pauli-Spinblockadeeffekten. Solche Spinblockadeeffekte werden hier experimentell beobachtet in einem prägnanten Transportspektrum eines seriellen Doppelquantenpunkttransistors im Regime der kapazitiven und schwachen Tunnelkopplung zwischen den Quantenpunkten. Mit einem einfachen Modell auf Basis einer sequentiellen Tunnelbeschreibung des Doppelquantenpunktes als 'zwei wechselwirkende künstliche Atome' wird Spinblockade als spektrokopisches Werkzeug auf die Spin- und Ladungsübergange zwischen den Quantenpunkten angewendet. Diese Spinblockadespektroskopie deckt die Evolution dieser Übergänge auf verschiedenen Energieskalen auf. In Messungen des Tunnelstroms als Funktion der elektrostatischen Verschiebung der beiden Quantenpunkte gegeneinander sowie eines äußeren Magnetfeldes treten dreiecksförmige Bereiche von spin-blockiertem Transport auf. Diese 'Spinblockadedreiecke' treten auch bei endlicher elektrostatischer Verschiebung und symmetrisch bei endlichem Magnetfeldern auf. Kontrolliertes Lokalisieren einzelner Spins durch Spinblockade erfordert eine genaue Vermessung des Parameterbereiches ihres Auftretens. Die hier gezeigten Ergebnisse charakterisieren einen Arbeitspunkt für Spinblockade in Doppelquantenpunkten, wie sie als Modul in künftigen spintronischen Schaltkreisen Anwendung finden könnten. Zwei weitere mögliche spintronische Moule, basierend auf dem Tunnelmagnetwiderstand sowie dem Kondoeffekt, werden ebenfalls untersucht. In einem nächsten Schritt könnte man diese spintronischen Module zusammen mit einer supraleitenden dritten Elektrode als Cooper-Paar 'Strahlteiler' zu einem Spinlabor auf Basis eines einzelnen Kohlenstoffnanoröhrchens verbinden. Ein solches Spinlabor könnte neben des Interesses für die Grundlagenforschung neue festkörperbasierte Anwendungen der Spintronik oder der Quanteninformation inspirieren.

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