Stefan Walter

• This thesis deals with nanoelectromechanical systems in the quantum regime. Nanoelectromechanical systems are systems where a mechanical degree of freedom of rather macroscopic size is coupled to an electronic degree of freedom. The mechanical degree of freedom can without any constraints be modeled as the fundamental mode of a harmonic oscillator. Due to their size and the energy scales involved in the setting, quantum mechanics plays an important role in their description. We investigate transport through such nanomechanical devices where ourThis thesis deals with nanoelectromechanical systems in the quantum regime. Nanoelectromechanical systems are systems where a mechanical degree of freedom of rather macroscopic size is coupled to an electronic degree of freedom. The mechanical degree of freedom can without any constraints be modeled as the fundamental mode of a harmonic oscillator. Due to their size and the energy scales involved in the setting, quantum mechanics plays an important role in their description. We investigate transport through such nanomechanical devices where our focus lies on the quantum regime. We use non-equilibrium methods to fully cover quantum effects in setups where the mechanical oscillator is part of a tunnel junction. In such setups, the mechanical motion influences the tunneling amplitude and thereby the transport properties through the device. The electronics in these setups can then be used to probe and characterize the mechanical oscillator through signatures in transport quantities such as the average current or the current noise. The interplay between the mechanical motion and other physical degrees of freedom can also be used to characterize these other degrees of freedom, i.e., the nanomechanical oscillator can be used as a detector. In this thesis, we will show that a nanomechanical oscillator can be used as a detector for rather exotic degrees of freedom, namely Majorana bound states which recently attracted great interest, theoretically as well as experimentally. Again, the quantum regime plays an essential role in this topic. One of the major manifestations of quantum mechanics is entanglement between two quantum systems. Entanglement of quantum systems with few (discrete) degrees of freedom is a well established and understood subject experimentally as well as theoretically. Here, we investigate quantum entanglement between two macroscopic continuous variable systems. We study different setups where it is possible to entangle two nanomechanical oscillators which are not directly coupled to each other. We conclude with reviewing the obtained results and discuss open questions and possible future developments on the quantum aspects of nanomechanical systems.…
• Diese Arbeit beschäftigt sich mit den quantenmechanischen Aspekten von nanoelektromechanischen Systemen. In nanomechanischen Systemen koppelt ein nahezu makroskopischer mechanischer Freiheitsgrad an einen elektronischen Freiheitsgrad. Ohne weitere Einschränkungen kann der mechanische Freiheitsgrad mit der fundamentalen Anregung eines harmonischen Oszillators beschrieben werden. Auf Grund der Größenordnung von beteiligten Längen- und Energieskalen spielt die Quantenmechanik eine sehr wichtige und nicht zu vernachlässigende Rolle in derDiese Arbeit beschäftigt sich mit den quantenmechanischen Aspekten von nanoelektromechanischen Systemen. In nanomechanischen Systemen koppelt ein nahezu makroskopischer mechanischer Freiheitsgrad an einen elektronischen Freiheitsgrad. Ohne weitere Einschränkungen kann der mechanische Freiheitsgrad mit der fundamentalen Anregung eines harmonischen Oszillators beschrieben werden. Auf Grund der Größenordnung von beteiligten Längen- und Energieskalen spielt die Quantenmechanik eine sehr wichtige und nicht zu vernachlässigende Rolle in der Beschreibung dieser Systeme. In dieser Arbeit untersuchen wir elektrische Transporteigenschaften in solchen nanomechanischen Elementen, wobei unser Fokus in der Quantennatur dieser Systeme liegt. Um quantenmechanische Effekte gänzlich zu berücksichtigen, verwenden wir Nichtgleichgewichts-Methoden wie zum Beispiel den Keldysh Formalismus. Wir konzentrieren uns hauptsächlich auf Systeme, in denen der nanomechanische Oszillator Teil eines Tunnelkontaktes ist. In solchen Anordnungen wird die Tunnelbarriere durch den Oszillator moduliert, was zur Folge hat, dass auch die elektronischen Transporteigenschaften beeinflusst werden. Durch Signaturen in Transportgrößen der Elektronik, wie zum Beispiel des mittleren Tunnel-Stroms oder des Stromrauschens, ist es nun möglich den nanomechanischen Oszillator zu untersuchen und zu charakterisieren. Die Wechselwirkung zwischen dem mechanischem Freiheitsgrad und anderen Freiheitsgraden ermöglicht es diese anderen Freiheitsgrade zu charakterisieren. Folglich kann der nanomechanische Oszillator als Detektor benutzt werden. In dieser Arbeit zeigen wir, dass der nanomechanische Oszillator als Detektor für sehr exotische physikalische Freiheitsgrade verwendet werden kann. Diese exotischen Freiheitsgrade sind sogenannte gebundene Majoranazustände, die kürzlich in der theoretischen und experimentellen Physik viel Aufsehen erregt haben. Hier spielt die quantenmechanische Beschreibung des Systems wiederum eine große Rolle. Eines der wichtigsten und faszinierendsten Phänomene der Quantenmechanik ist die quantenmechanische Verschränkung zweier Quantensysteme. Die Verschränkung von quantenmechanischen Systemen mit wenigen (diskreten) Freiheitsgraden ist ein theoretisch und experimentell sehr gut verstandenes Phänomen. Wir untersuchen Verschränkung zwischen zwei makroskopischen Systemen mit kontinuierlichen Freiheitsgraden in zwei verschiedenen Anordnungen, die es erlauben zwei nanomechanische Oszillatoren zu verschränken, die nicht direkt miteinander gekoppelt sind. Schließlich fassen wir unsere Ergebnisse zusammen und diskutieren offene Fragen und künftige Entwicklungen, die sich mit der Quantennatur nanoelektromechanischer Systeme beschäftigen.…