A quantum-dot pump is an on-demand single-electron source which has the unique property of emitting hot electrons of $\sim$100 meV above Fermi energy with very small pumping error of order 0.1 part per million. In order to utilize it for a quantum metrology as well as a fermion version of optics and related quantum processing, it is important to understand the quantum dynamics during the pumping. Due to the unique property of the quantum-dot pump, the dynamics involves complications such as a non-equilibrium electron-capturing process, which determines the pumping accuracy, nonadiabatic electron-wave-packet evolution in the pump and its tunneling through a quantum-dot barrier, which determines the wave-function characteristics, and relaxation of hot electron emitted from the pump, which affects the coherence of the pumped electron.
In this thesis, we present a series of our studies concerning aforementioned complications. First, we analyze how the potential shape of the quantum-dot affects the capturing process and the pumping accuracy. We find that the improvement of the pump accuracy observed in a anisotropic quantum-dot potential was mainly due to the thicker potential barrier. Second, we study the relaxation mechanism of the pumped electron by scattering with phonons. We calculate the scattering rate between hot electron and phonons and elucidated the mechanism of the suppression of the scattering which was observed in the pump under a strong magnetic field. Lastly, we propose how to generate and detect an electron in a Gaussian state, using a quantum-dot pump with gigahertz operation and realistic parameters. The proposal is based on our finding on general properties (coherent-state motion and tunneling dynamics) of electron wave packet in a 2D dynamic quantum dot under a strong magnetic field.
양자점 펌프는 천만분의 일의 정확도로 전자를 페르미 에너지 보다 100meV 정도로 높게 방출하는 특수한 성질을 가지는 주문형 단일 전자원이다. 이 장치는 양자 계측 분야, 전자 양자광학 분야, 그리고 궁극적으로는 양자정보적 분야에 활용될 수 있는데, 활용도를 높이기 위해서는 펌프 과정에서 일어나는 전자의 양자역학적 동역학에 대한 이해가 매우 중요하다. 이 동역학은 복잡한 과정을 수반하는데 열거하자면 비평형적으로 전자를 펌프에 가두는 과정, 펌프 안에서 일어나는 전자 파동함수의 비단열적 시간변화와 양자점 장벽을 통과하는 터널링, 그리고 펌프에서 방출된 후 전자의 에너지 완화 과정이 있다.
본 학위논문에서 우리는 위의 과정들에 대한 일련의 연구들을 제시한다. 첫번째로 우리는 양자점 포텐셜의 모양이 전자를 양자점에 가두는 과정과 그로 인해 결정되는 펌프의 정확도에 어떤 영향을 주는지 분석하였다. 두번째로 우리는 펌프에서 방출된 전자가 포논과의 산란에 의해 에너지를 완화하는 과정을 연구하였고, 강한 자기장안에서 이 산란과정이 억제되는 현상을 규명하였다. 마지막으로 우리는 실현성 있는 양자점 펌프를 이용하여 전자를 가우시안 상태로 생성하고 측정하는 방법을 이론적으로 제안하였다.