Halbleiter-Quantenelektronik
Semiconductor Quantum Electronics

Modul PH2290

Diese Modulbeschreibung enthält neben den eigentlichen Beschreibungen der Inhalte, Lernergebnisse, Lehr- und Lernmethoden und Prüfungsformen auch Verweise auf die aktuellen Lehrveranstaltungen und Termine für die Modulprüfung in den jeweiligen Abschnitten.

Modulversion vom SS 2022 (aktuell)

Von dieser Modulbeschreibung gibt es historische Versionen. Eine Modulbeschreibung ist immer so lange gültig, bis sie von einer neuen abgelöst wird.

Ob die Lehrveranstaltungen des Moduls in einem spezifischen Semester angeboten werden, finden Sie im Abschnitt Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise unten.

verfügbare Modulversionen
SS 2022SS 2021SS 2020

Basisdaten

PH2290 ist ein Semestermodul in Englisch auf Master-Niveau das im Sommersemester angeboten wird.

Das Modul ist Bestandteil der folgenden Kataloge in den Studienangeboten der Physik.

  • Spezifischer Spezialfachkatalog Physik der kondensierten Materie
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Applied and Engineering Physics
  • Fokussierungsrichtung Experimentelle Quantenwissenschaften & -technologien im M.Sc. Quantum Science & Technology
  • Komplementärer Spezialfachkatalog Kern-, Teilchen- und Astrophysik
  • Komplementärer Spezialfachkatalog Biophysik

Soweit nicht beim Export in einen fachfremden Studiengang ein anderer studentischer Arbeitsaufwand ("Workload") festgelegt wurde, ist der Umfang der folgenden Tabelle zu entnehmen.

GesamtaufwandPräsenzveranstaltungenUmfang (ECTS)
150 h 60 h 5 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH2290 ist Martin Brandt.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

Semiconductor-based quantum electronic devices and circuits play a pivotal role in the current development of processors for quantum computing, in particular since they can be integrated with the highly versatile existing microelectronics. Furthermore, these devices are fabricated using identical technology. The aim of this module is to introduce the students to the current concepts for semiconductor-based nanoelectronics for quantum applications, with a focus on electrostatically defined quantum dots and donors as the elementary quantum bits (qubits). The module will introduce the basic physics, the fabrication and the operational principles of these qubits and will discuss the current status of both approaches with respect, e.g., to relaxation, decoherence and scalability. For the manipulation of these qubits, magnetic resonance is used, which will be briefly reviewed.

Specific topics will include:

Review of fundamental semiconductor physics

  crystal structure, band structure, excitons, dopants

Materials for semiconductor quantum electronics

  Si, SiGe, III-V semiconductors including GaAs/AlGaAs, isotope engineering, heterostructures

Fabrication of devices for quantum electronics

  molecular beam epitaxy, electron beam lithography, single ion implantation, STM lithography

Two-dimensional electron gases

  electrostatics, diffusive and ballistic transport, g-factor

Review of spin physics

  electron and nuclear spins, magnetic resonance, relaxation and decoherence

Electrostatically defined quantum dots

electronic transport, Coulomb diamond, single electron transistor, capacitance model, spin states, spin-to-charge conversion, Kondo effect

Spin interaction with the environment

  spin orbit interaction, hyperfine interaction

Coupled quantum dots

  electronic properties, spin blockade, hyperfine effects

Spin physics of dopants

  g-factor, hyperfine coupling, quadrupole interaction

Electrically detected magnetic resonance

Single donor spins

  readout via SET, coupling of donors, hyperfine effects

Comparison of quantum electronic systems discussed

Quantum processors

  topologies, quantum state transfers, the current state-of-the-art of such processors, challenges

Hybrid quantum systems

  with microwaves, optical photons and/or phonons

Lernergebnisse

After participation in the Module the student is able to:

 

  1. Understand the rationale for building semiconductor-based quantum electronic devices and circuits.

  2. Explain the fundamental principles of quantum-dot- and donor-based quantum bits, including the physics of two-dimensional electron gases.

  3. Understand which semiconductor nanostructures are used to generate, manipulate and detect electron and spin qubits, why they are used and how they are fabricated.

  4. Explain the fundamentals of magnetic resonance and its elementary pulse sequences.

  5. Sketch how these qubits are operated and what is observed.

  6. Understand how quantum processors are being developed from elementary one- and two-qubit systems.

  7. Understand and quantify the current limits of these qubits with respect to relaxation and decoherence.

  8. Judge new concepts for semiconductor-based qubits.

Voraussetzungen

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen.

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

ArtSWSTitelDozent(en)TermineLinks
VO 2 Semiconductor Quantum Electronics Brandt, M. Do, 10:00–12:00, ZNN 0.001
eLearning
Unterlagen
UE 1 Übung zu Halbleiter-Quantenelektronik
Leitung/Koordination: Brandt, M.
Termine in Gruppen

Lern- und Lehrmethoden

The module consists of a lecture series and exercise classes.


The blackboard is used for the introduction of physical concepts and quantitative analyses. Overhead projection is used for the discussion of experimental set-ups and results. Students are required to read selected research publications.

Medienformen

Combined Power Point and blackboard presentation plus research publications.

Literatur

  • Thomas Ihn, Semiconductor Nanostructures, Oxford University Press
  • Yuli Nazarov and Yaroslav M. Blanter, Quantum Transport, Cambridge University Press
  • R. Hanson et al., Reviews of Modern Physics 79, 1217 (2007)
  • Floris A. Zwanenburg et al., Silicon Quantum Electronics, Reviews of Modern Physics 85, 961 (2013)
  • and topical research papers

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

There will be an oral exam of 25 minutes duration. Therein the achievement of the competencies given in section learning outcome is tested exemplarily at least to the given cognition level using comprehension questions and sample calculations.

For example an assignment in the exam might be:

  • How do you fabricate a quantum dot?
  • With which accuracy can you place a single donor? Which technology would you use?
  • What is spin diffusion and how can you suppress it?
  • Sketch and explain the stability diagram of a coupled quantum dot!
  • What are the pros and cons of using a heavier donor such as 75As as compared to 31P?
  • How would you realize coherence transfer to a nuclear spin?

Participation in the exercise classes is strongly recommended since the exercises prepare for the problems of the exam and rehearse the specific competencies.

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten.

Aktuell zugeordnete Prüfungstermine

Derzeit sind in TUMonline die folgenden Prüfungstermine angelegt. Bitte beachten Sie neben den oben stehenden allgemeinen Hinweisen auch stets aktuelle Ankündigungen während der Lehrveranstaltungen.

Titel
ZeitOrtInfoAnmeldung
Prüfung zu Halbleiter-Quantenelektronik
Mi, 11.10.2023, 13:30 bis 15:00 2503
2503
bis 25.9.2023 (Abmeldung bis 4.10.2023)
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