The Kondo Effect in quantum dots

Abstract

Wir untersuchen den elektrischen Transport durch Quantenpunkte bei sehr tiefen Temperaturen. Die Quantenpunkte werden durch selektive Verarmung eines zweidimensionalen Elektronensystems in einer GaAs-AlGaAs Heterostruktur definiert. Die Diskretheit der elektrischen Ladung auf dem Quantenpunkt führt bei schwacher Tunnelkopplung an die Zuleitungen, d.h. einzelnen, unabhängigen Tunnelereignissen, zur Coulomb-Blockade des Stroms. Im Fall starker Tunnelkopplung zwischen Quantenpunkt und Zuleitungen werden qualitative Abweichungen vom Einzelelektronen-Tunneln beobachtet und als Kondoresonanzen identifiziert. Verantwortlich sind Korrelationseffekte zwischen den Tunnelereignissen, wie sie für das Anderson Störstellen Modell analysiert wurden. Dieses Modell läßt sich im Falle einer (Spin)-Entartung auf den Quantenpunkt übertragen. Im Gegensatz zu einer Störstelle sind die Parameter des Quantenpunkts kontrollier- und bestimmbar, die Temperaturabhängigkeit einer beobachten Kondo-Resonanz konnte ohne freie Parameter mit theoretischen Vorhersagen verglichen werden. Das vorhergesagte Skalierungsverhalten ist auf unsere Daten anwendbar, allerding gibt es quantitative Abweichungen, die als eine Abweichung in der Kondo-Temperatur beschrieben werden können. Vorausgehende Arbeiten haben Kondo-Resonanzen für eine ungerade Zahl von Elektronen auf dem Quantenpunkt vorhergesagt und von entsprechenden experimentellen Ergebnissen berichtet. Diese Erwartung basiert auf einer zu starken Vereinfachung für die Besetzung der Niveaus auf dem Quantenpunkt und steht im Widerspruch zu anderen Untersuchungen an Quantenpunkten, in denen die Hund'schen Regeln wichtig sind. Die Kopplung von Kondo-Resonanzen an eine ungerade Zahl von Elektronen auf dem Quantenpunkt konnte durch unsere Ergebnisse widerlegt werden. Stattdessen stellt sich heraus, daß das Auftreten von Kondo-Resonanzen mit einer Spinentartung in einer stark tunnelgekoppelten äußeren Schale korreliert werden kann.

We study electrical transport through split-gate quantum dots at very low temperatures. The quantum dots are obtained by selective depletion of a two dimensional electron system in a GaAs-AlGaAs heterostructure. The discreteness of the electric charge on the quantum dot leads to the Coulomb blockade of the electric current through the quantum dot, if the quantum dot is weakly tunnel-coupled to the leads and transport occurs as a series of uncorrelated tunneling events of single electrons. For strong tunnel-coupling between the quantum dot and the leads, qualitative deviations from single-electron tunneling are observed and identified as Kondo resonances. This is explained in terms of the Anderson impurity model for which correlations between tunneling events have been analyzed. The model can be applied not only to impurities but also to quantum dots in the case of a (spin)-degeneracy. In contrast to impurities, the parameters of a quantum dot are controllable and determinable. The temperature dependence of an observed Kondo resonance could be compared to theoretical predictions without free parameters. The predicted scaling works for our data there are, however, quantitative discrepancies which could be described by a deviation in the Kondo temperature. Several previous works have predicted Kondo resonances for odd electron numbers on the quantum dot and reported corresponding experiments. This prediction is based on an oversimplification of the occupation of levels on the quantum dot and disagrees with other previous works, that have reported the importance of Hund's rules for quantum dots. The coincidence of Kondo resonances with an odd number of electrons on the quantum dot could be disproven by our work, instead Kondo resonances occur for a spin-degeneracy in a strongly tunnel-coupled outer shell of the quantum dot.