İki boyutlu elektron sistemlerinde aharonov-bohm ve coulomb blokajı etkilerinin kuramsal olarak incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, yarı iletken malzemelerden oluşan bir hetero yapı içinde elde edilen iki boyutlu elektron sisteminde tanımlanabilen Fabry-Perot interferometresi (FPI), tam sayılı kuantum Hall rejiminde incelenmiştir. FPI geometrisini iki boyutlu elektron sisteminde tanımlamak için metalik kapılar kullanılmıştır. Elektron yoğunluğunun ve perdelenmiş toplam potansiyel enerjinin uzaysal dağılımlarını elde etmek için Poisson denklemi üç boyutta kendinden tutarlı olarak EST3D programı yardımı ile çözülmüştür. Bu simülasyon programı sıfır sıcaklık ve sıfır manyetik alan değerlerinde malzemenin büyütme parametrelerini, sistemin boyutlarını ve yükler arası Coulomb etkileşmelerini de hesaba katarak üç boyutlu olarak Poisson denklemini öz uyumlu bir şekilde çözmektedir. Bu hesaplamadan elde edilen potansiyel enerji başlangıç koşulu olarak alınıp sıcaklığın ve dik bir manyetik alanın etkileri de hesaplamalara katılarak Thomas-Fermi-Poisson-Yaklaşıklığı ile elektron yoğunluğunun ve toplam perdelenmiş potansiyel enerjinin uzaysal dağılımları belirlenmiştir. Dik bir manyetik alanın varlığında elektron dağılımında, literatürde sıkıştırılabilir bölge (metal gibi) ve sıkıştırılamaz şerit (yalıtkan gibi) ile isimlendirilen iki farklı elektronik durumun oluştuğunu hesapladık. Dik bir manyetik alanın etkisi ile oluşan bu bölgeler ile iki boyutlu elektron sisteminde sığa oluşmaktadır. İki farklı büyüklüğe sahip FPI geometrisi için bu sığaları hesapladık. Hesaplamaları ilk önce bir indirgenmiş model için daha sonrada literatürdeki deneysel olarak ölçülen gerçek bir örneği modelleyerek gerçekleştirdik. Hesaplamalarımızın sonucunda Aharonov-Bohm ve Coulomb Blokajı etkilerinin hangi durumlarda baskın olduklarını gerek sayısal gerek analitik yöntemlerle gösterdik.

In this work we investigated an electronic version of the Fabry-Perot interferometer (FPI), in the integer quantized Hall regime, induced at the interface of a semiconductor heterostructure defined on a two dimensional electron system (2DES). The interferometer geometry is defined bu metallic gates on the surface of a 2DES. We utilized the EST3D numerical algorithm to obtain the spatial distribution of electron density and total screened potential. The three dimensional Poisson equation is solved self-consistently considering material properties, sample geometry and electron-electron interactions to obtain the properties of the 2DES at zero magnetic field and temperature. To obtain the electron and potential distributions, we utilized the output of EST3D as an initial condition and solved the self-consistent equations within the Thomas-Fermi-Poisson approximation in the presence of a perpendicular magnetic field and at finite temperatures. In the presence of a perpendicular magnetic field incompressible (insulator-like) and compressible stripes (metallic-like) form due to quantization and electron-electron interactions. These regions yield a finite geometrical and quantum capacitances once they co-exist. These capacitances are calculated considering a fixed geometry, however, for two different physical dimensions of the FPIs. First, we performed calculations for a simplified model, then we performed calculations considering a realistic sample as an example we considered a device reported in the literature which are experimentally measured. In this thesis we provide a theoretical scheme to compare the effectiveness of Aharonov-Bohm and Coulomb blockade pictures and investigated the validity regimes under realistic experimental conditions.