Construction of a 390 mK-14 T scanning tunnelling microscope used for investigations of the random Rashba effect at the nanometre scale

Bindel, Jan Raphael; Schäpers, Thomas; Morgenstern, Markus

doi:35629

Construction of a 390 mK-14 T scanning tunnelling microscope used for investigations of the random Rashba effect at the nanometre scale = Aufbau eines 390mK-14T Rastertunnelmikroskops verwendet für Untersuchungen des variablen Rashba-Effekts auf der Nanometerskala

Bindel, Jan Raphael

2016 & 2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Physiker Jan Raphael Bindel

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (viii, 132 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Morgenstern, Markus (Thesis advisor)^RWTH* ; Schäpers, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-12-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2017-022158
DOI: 10.18154/RWTH-2017-02215
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/685405/files/685405.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/685405/files/685405.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Landau Niveau (frei) ; Abbildung Knotenstruktur (frei) ; scanning tunnelling microscopy (frei) ; scanning tunnelling spectroscopy (frei) ; Rastertunnelmikroskopie (frei) ; Rastertunnelspektroskopie (frei) ; Rashba-Effekt (frei) ; variierender Rashba-Effekt (frei) ; Potentialunordnung (frei) ; Rashba effect (frei) ; random Rashba effect (frei) ; potential disorder (frei) ; Landau level (frei) ; nodal structure mapping (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 520

Kurzfassung
In dieser Arbeit werden das Design und die technischen Eigenschaften einer neu entwickelten Tieftemperatur-Ultrahochvakuum-Rastertunnelmikroskopie-Anlage (LT-UHV-STM), die bei T = 390 mK und Magnetfeldern bis zu 14 T betrieben werden kann, präsentiert. Das System wird charakterisiert und mit anderen existierenden Systemen verglichen. Es wird die überragende mechanische Stabilität von δz = 0.7 pm bei einer Bandbreite von 700 Hz mit einer Methode dargestellt, die eine Vergleichbarkeit mit anderen Systemen ermöglicht. Bei Stabilisierungsströmen von nur Istab = 0.5 pA und bei Magnetfeldern bis zu B = 14 T wird atomare Auﬂösung erreicht. Es wird eine Elektronentemperatur von Tel = 430 mK an der einen und Tel = 520 mK an der anderen Elektrode des Tunnelkontakts bestimmt. Hierzu werden zum einen supraleitende Bandlücken vermessen und zum anderen die Magentotransportfähigkeiten des Systems genutzt, um Shubnikov-de Hass Oszillationen auszuwerten. Der Josephson-Peak eines Supraleiter-Supraleiter-Übergangs wird genutzt um das Rauschen der Tunnelspannung innerhalb des Tunnelkontakts von ∆Vbias = 16 µV bei einer Bandbreite von ~700 Hz zu bestimmen. Vielseitige Nutzungsmöglichkeiten des Systems sind durch eine lange Standzeit thold = 10.5 Tage bei 400 mK, eine nahezu unendliche Standzeit bei T = 9 K, dem großzügigen optischen Zugang innerhalb des UHV-Kryostaten zu Probe und Spitze bei 25 K, sowie der angeschlossenen UHV-Analyse- und Präparationskammer mit Schleuse gegeben. Mit Hilfe dieses Systems werden die Variationen der Rashba Spin-Bahn Wechselwirkung in einer Cs/p-InSb-Probe nanometergenau kartographiert, wobei die Limitation die magnetische Länge lB ≈ 10 nm bei B = 6 T ist. Es zeigt sich ein Rashba-Parameter von αR(R) = 1.2 eVÅ, mit der Wurzel der mittleren quadratischen Abweichung von δαR = 0.15 eVÅ, wobei wir eine Korrelation zwischen Rashba-Parameter und lokalem Potential beobachten. Mittels eines analytischen Modells werden die Korrelation sowie die Variationen durch Veränderungen im elektrischen Feld, bedingt durch die Zufallsverteilung der Dotierung, erklärt. Für dieses Probensystem wird eine Länge der Spindephasierung, verursacht durch die Rashba-Fluktuationen, von lSpin = 250 nm abgeschätzt. Das Probensystem wird des Weiteren dafür genutzt, um die Knotenstruktur der Wellenfunktion des nullten und des ersten Landau-Niveaus (LL0 & LL1) räumlich aufzulösen. Die Driftzustände, die der Potentialunordnung folgen, entwickeln sich mit steigender Energie für LL0 von einer gaußförmigen Verteilung in eine Ringstruktur (kein Knoten) und für LL1 von einer Ringstruktur in eine wachsende Doppelringstruktur (ein Knoten).

This thesis describes the design and performance of a newly developed low-temperature ultra-high-vacuum scanning tunneling microscope (LT-UHVSTM) system operating at T = 390 mK and magnetic ﬁelds up to 14 T. The system’s performance is evaluated and compared with that of existing systems. Its outstanding mechanical stability δz = 0.7 pm at a bandwidth of 700 Hz is presented using a method that allows for comparison with other systems. Atomic resolution for stabilisation currents down to Istab = 0.5 pA and for magnetic ﬁelds up to B = 14 T is achieved. An electron temperature of Tel = 430 mK at one electrode and Tel = 520 mK at the other electrode of the tunnelling junction is ascertained through evaluation of superconducting tunnelling gaps and Shubnikov-de Haas oscillation, using the system magneto-transport capabilities. The Josephson peak in a superconductor-superconductor junction is used to ascertain a bias voltage noise of the tunneling junction of ∆Vbias = 16 µV at a bandwidth of ~700 Hz. The long holding time thold = 10.5 days at 400 mK, the virtually inﬁnite holding time at T = 9 K, the spacious optical access to tip and sample at 25 K inside the UHV-cryostat, and the attached UHV-analysis and preparation chambers with a load lock, constitute a versatile system. In the second part of this thesis a newly developed technique is used to map the variations of the Rashba spin-orbit coupling in a Cs/p-InSb sample down to the nanometre scale, limited by the magnetic length lB ≈ 10 nm at B = 6 T. This reveals a Rashba parameter of αR(R) = 1.2 eVÅ, with root mean square variations of δαR = 0.15 eVÅ. We ﬁnd a correlation between the Rashba parameter variations and the local potential. Using an analytical and a simple numeric model, this correlation and the Rashba ﬂuctuations are attributed to a locally changing electric ﬁeld, resulting from the randomly distributed dopants. The spin dephasing length, which is determined by the Rashba ﬂuctuation, is estimated to be lSpin = 250 nm. These experimental ﬁndings suggest that the performance of the most advanced spin transistors is likely dominated by variations of the Rashba parameter. Furthermore, the nodal structures of the zeroth and the ﬁrst Landau level (LL0 & LL1) wave functions are spatially resolved within this sample system. The drift states, which probe the potential disorder, develop with increasing energy for LL0 from a Gaussian-like distribution into a ring structure growing in diameter and for LL1 from a ring into a growing double-ring structure.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)