Dark transport in polaritonic semiconductor quantum structures

Abstract

In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit Halbleiter-Quantenstrukturen auf der Suche nach einem durch Vakuumfluktuationen hervorgerufenen dunklen Transport von Elektronen. Forschung zu dem Thema führte in letzter Zeit zu einem besseren Verständnis des Einflusses von Vakuumeffekten auf Quantensysteme, wie zum Beispiel die signifikante Erhöhung der Leitfähigkeit in organischen Halbleitern (Orgiu et al., Nat Mater 14, 2015) oder der nachgewiesene Zusammenbruch topologisch geschützter Zustände durch das Cavity-Vakuumfeld im Integer-Quantum-Hall Effekt (Appugliese et al., Science 375, 2022). Theorien versuchen diese Effekte zu erklären, wobei die Bedeutung der antiresonanten Terme der Licht-Materie Wechselwirkung im Hamiltonian betont wird (Naudet-Baulieu et al., New J Phys 21, 2019; Arwas et al., Phys Rev B 107, 2023). Wir erreichen in dieser Arbeit eine starke Kopplung von Elektronen an das elektromagnetische Vakuumfeld, indem wir Strukturen mit einem inhärenten Intersubband-Übergang von 100 meV in eine Cavity einbetten. Mithilfe eines Nanoherstellungsprozesses stellen wir Micro-Patch-Resonatoren bis zu einer Patch-Größe von nur 1 μm her und designen eine Überstruktur um einzelne 2-μm-Resonatoren elektrisch zu kontaktieren. Wir messen Polaritonen in einer dotierten Resonanten Tunneldiodenstruktur (Limbacher et al., Appl Phys Lett 116, 2020) mittels Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie und weisen damit die Funktionalität und Durchstimmbarkeit der Resonatoren nach. Wir bestimmen die Patchgröße, die mit dem Intersubband-Übergang resonant ist und zeigen, dass das Rabi-Splitting in 2-μm-Resonatoren noch vorhanden ist. Außerdem führen wir Tieftemperatur-Strommessungen mit einer Helium-gekühlten Probestation durch. Unsere Untersuchungen umfassen zwei Multi-Quantentopf-Strukturen, ähnlich den sogenannten Quantentopf-Infrarot-Photodetektoren, die wir für die Suche nach einem vakuuminduzierten Strombeitrag optimieren. Da die grundlegenden Bausteine eines Quantentopf-Infrarot-Detektors gut verstanden sind, nutzen wir diesen als Werkzeug, um einen tiefen Einblick in die Wechselwirkung zwischen Elektronen und virtuellen Photonen zu gewinnen. Wir betrachten verschiedene Patch-Größen und versuchen, die Stärke der Vakuumeffekte durch eine Variation des Cavity-Modenvolumens zu beeinflussen. Wir messen den Transport in einzelnen Patch-Resonatoren bis zu einer Patchgröße von nur 2 μm und inkludieren darüber hinaus 5-μm-Resonatoren, die den off-resonanten Fall darstellen. Wir finden eine klare Abhängigkeit der Stromdichte von der Patchgröße vor und zeigen Transportanomalien in 2-μm-Resonatoren in drei verschiedenen Strukturen, welche wir durch ein Zusammenspiel von dunklem Transport und Oberflächeneffekten erklären.

In this work, we investigate semiconductor quantum structures in the search of a dark transport of electrons induced by vacuum fluctuations. Recently, many advances have led to a better understanding of the influence of vacuum effects on quantum systems, like the significant enhancement of the conductivity in organic semiconductors (Orgiu et al., Nat Mater 14, 2015) or the breakdown of topological protection caused by the cavity vacuum field in the integer quantum hall effect (Appugliese et al., Science 375, 2022). Theories attempt to explain these effects, emphasizing the importance of the antiresonant terms in the light-matter coupling Hamiltonian (Naudet-Baulieu et al., New J Phys 21, 2019; Arwas et al., Phys Rev B 107, 2023). We achieve a strong coupling of electrons to the vacuum electromagnetic field by embedding structures with an inherent intersubband transition of 100 meV in a cavity. We use a nanofabrication process to build micro patch resonators down to a patchsize of 1 μm and accomplish to form a superstructure for contacting single 2 μm resonators electrically. We measure polaritons in a doped Resonant Tunneling Diode structure (Limbacher et al., Appl Phys Lett 116, 2020) by Fourier-Transform-Infrared spectroscopy and thereby prove the functionality and tunability of the cavity. We determine the patchsize resonant with the intersubband transition and show that the Rabi splitting is still present in 2 μm resonators. Furthermore, we perform low temperature measurements on the transport using a cryogenic probe station. Our investigations include Multiple Quantum Well structures similar to Quantum Well Infrared Photodetectors, which we optimised to study a vacuum-induced transport. As the basic building blocks of a Quantum Well Infrared Photodetector are well-understood, we utilize it as a tool to gain a deep insight into the coupling of electrons to virtual photons. We consider different patchsizes attempting to tune the vacuum effect strength by the cavity mode volume and include 5 μm resonators which represent the off-resonant case. We measure the transport in the micro patch resonators at a temperature of 4.3 K and show transport anomalies in 2 μm resonators in three different structures, which we explain by an interplay of a dark transport and surface effects.