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Selbstorganisierte InAs Nanostrukturen in InP, wie Quantendrähte, Quantenpunkte, und Quantengräben als Referenz, werden bezüglich ihres Wachstums, ihrer Struktur, optischen Eigenschaften und Transporteigenschaften untersucht. Das Stranski-Krastanov Wachstum der Nanostrukturen auf exakt orientiertem und vizinalem InP(001) wird mittels Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie untersucht. Ich zeige, dass die Missorientierung des vizinalen InP, weitestgehend unabhängig von den Wachstumsparametern, den Nanostrukturtyp definiert. Optische Polarisation der Interbandübergänge (im 1.55 Mikrometer Bereich) aufgrund des Nanostrukturtyps wird mittels Photolumineszenz- und Transmissionsspektroskopie wird nachgewiesen. Die experimentell unaufwändige 4-Kontakt van der Pauw Hall Messung wird erweitert, um anisotrope Transporteigenschaften zu bestimmen. Der Ladungstägertransport in einer Schicht dicht gepackter, lateral gekoppelter InAs Nanostrukturen ist stark anisotrop mit der Hochbeweglichkeitsrichtung [-110], was parallel zur Richtung der Quantendrähte ist. Die maximalen Anisotropien übersteigen 30 für Elektronen und 100 für Löcher. Die extreme Anisotropie im Falle der Löcher basiert auf diffusem Transport in der [-110], und Hoppingtransport in der [110] direction. Die Elektronenbeweglichkeit bei niedrigen Temperaturen wird duch Grenzflächenrauhigkeitsstreuung in der [110] direction, und Streuung an entfernten Störstellen in der [-110] dominiert. Im Kontext gekoppelter Nanostrukturen, zeige ich, dass die Transportanisotropie auf anisotroper Tunnelkopplung zwischen benachbarten Nanostrukturen beruht, und weniger durch die Form der Nanostruktur bestimmt wird. Transport im Quanten-Hall Regime, und die Schwache Lokalisierung werden untersucht. Ein neuartiges Baulelement basierend auf Gate-konrollierter Transportanisotropie wird vorgeschlagen. Es wird gezeigt, dass modulationsdotierte InAs Quantendrähte für eine Implementierung des Bauelements geeignet sind., Self-assembled InAs nanostructures in InP, comprising quantum wires, quantum dots, and quantum wells as reference, are studied in terms of their formation, structural properties, optical properties, and anisotropic transport properties. The Stranski-Krastanov growth of InAs nanostructures is studied by gas-source molecular beam epitaxy on both nominally oriented and vicinal InP(001). I demonstrate that the off-cut direction of vicinal substrates - largely independent of growth conditions - determines the nanostructure type. Optical polarization of the interband transitions (in the 1.55 micron wavelength range) arising from the nanostructure type is demonstrated by photoluminescence and transmission spectroscopy. The experimentally convenient four-contact van der Pauw Hall measurement is extended to yield the anisotropic transport properties. The in-plane transport in large ensembles of closely spaced, laterally coupled InAs nanostructures is highly anisotropic with the high-mobility direction [-110], which is parallel to the direction of the quantum wires. The maximum anisotropies exceed 30 for electrons, and 100 for holes. The extreme anisotropy for holes is due to diffusive transport in the [-110], and hopping transport in the [110] direction. The principal electron mobilities at low temperature are dominated by interface roughness scattering in the [110] direction, and by remote impurity scattering in the [-110] direction. In the context of coupled nanostructure, I demonstrate that the transport anisotropy results from directionally anisotropic tunnel coupling between adjacent nanostructures rather than from the nanostructure shape anisotropy. The Quantum-Hall regime, and the weak-localization contribution to conductivity is studied. A novel 5-terminal electronic switching device based on gate-controlled transport anisotropy is proposed. Modulation-doped InAs/InP quantum wires are demonstrated to be a candidate for implementation of the device.

Ultrakalte Moleküle mit elektrischen Dipolmomenten erfahren derzeit großes Interesse seitens theoretischer und experimenteller Quantenphysiker. Auf Grund der lange Lebensdauer stabiler Grundzustandsmoleküle in Kombination mit der starken, langreichweitigen Wechselwirkung der elektrischen Dipolmomente sind dipolare Moleküle ideal geeignet zur Erforschung von exotischen Quanten-Zuständen in optischen Gittern, wie zum Beispiel der Suprasolidität eines wechselwirkenden Vielteilchen-Systems. Weitere potentielle Anwendungen finden dipolare Moleküle in der Simulation von Spin-Systemen oder in der Realisierung von Quantencomputern. Die Umsetzung der meisten dieser Vorschläge basiert auf Ensembles von dipolaren Molekülen mit geringer Entropie in Gittern. Solche ultrakalten Molekül-Ensembles in optischen Gittern zu präparieren, stellt dabei jedoch eine große experimentelle Herausforderung dar. In der Vergangenheit gelang es nicht, Ensembles aus dipolaren Molekülen mit geringer Entropie in Gittern zu realisieren. Die Molekül-Ensembles wurden üblicherweise zunächst ohne Gitter erzeugt und in manchen Fällen im Anschluss in ein optisches Gitter geladen. Die erreichten Phasenraumdichten der Molekülensembles waren zu gering, um Systeme mit geringer Entropie zu erzeugen. In dieser Dissertation wird eine neue Methode vorgestellt, bei der Ensembles aus schwachgebundenen, heteronuklearen Molekülen direkt in einem optischen Gitter erzeugt werden. Dadurch lassen sich deutlich niedrigere Entropien erreichen, was einen idealen Ausgangspunkt für weiterführende Experimente mit dipolaren Molekülen in Gittern darstellt. Diese Arbeit ist wie folgt strukturiert: Zunächst wird die Erzeugung von 87Rb133Cs-Molkülen, den dipolaren Molekülen unserer Wahl, allgemein beschrieben. Ausgangspunkt sind hierfür ultrakalte Ensembles aus Rb- und Cs-Atomen. Die Atome werden mit Hilfe einer Feshbach-Resonanz zu schwachgebundenen RbCs-Molekülen zusammengeführt. Anschließend werden die schwachgebundenen Moleküle, Ultracold molecules with electric dipole moments are currently of large interest to the community of experimental and theoretical quantum physicists. Due to the long lifetime of stable ground-state molecules in combination with the strong long-range interaction of the electronic dipole moments, dipolar molecules are ideal candidates to study exotic quantum phases in optical lattices, such as the many-body lattice super solid. Further potential applications of dipolar molecules are the simulation of spin systems, or to use them as a platform for quantum computation. Most of these proposals require a low-entropy sample of dipolar molecules in a lattice. However, it is a great experimental challenge to prepare such ultracold molecular samples in an optical lattice. In the past the realization of low-entropy samples of dipolar molecules in lattices was not feasible. The molecular samples were typically created in the absence of a lattice and in some cases the samples were loaded into an optical lattice subsequently. The resulting phase-space densities of the molecular samples were too low to form low-entropy samples. In this thesis a novel method is introduced that is based on the formation of weakly bound heteronuclear molecules directly in an optical lattice. This way, a significantly lower entropy can be achieved, which presents an ideal starting point to study dipolar molecules in a lattice. This thesis is structured as follows: Initially, the preparation of 87Rb133Cs ground-state molecules, the dipolar molecules of our choice, is introduced. We start from ultracold samples of Rb and Cs atoms. The atoms are associated to weakly bound RbCs molecules by means of a magnetic Feshbach resonance. Subsequently the weakly bound molecules are transferred to their rovibrational and hyperfine ground-state via stimulated Raman adiabatic passage (STIRAP). Next, we demonstrate our method to form the weakly bound RbCs molecules directly in a three-dimensional (3D) optical lattice., by Andreas Schindewolf, Kumulative Dissertation aus zwei Artikeln, Zusammenfassung in deutscher Sprache, Dissertation University of Innsbruck 2018

Ultrakalte Moleküle mit elektrischen Dipolmomenten erfahren derzeit großes Interesse seitens theoretischer und experimenteller Quantenphysiker. Auf Grund der lange Lebensdauer stabiler Grundzustandsmoleküle in Kombination mit der starken, langreichweitigen Wechselwirkung der elektrischen Dipolmomente sind dipolare Moleküle ideal geeignet zur Erforschung von exotischen Quanten-Zuständen in optischen Gittern, wie zum Beispiel der Suprasolidität eines wechselwirkenden Vielteilchen-Systems. Weitere potentielle Anwendungen finden dipolare Moleküle in der Simulation von Spin-Systemen oder in der Realisierung von Quantencomputern. Die Umsetzung der meisten dieser Vorschläge basiert auf Ensembles von dipolaren Molekülen mit geringer Entropie in Gittern. Solche ultrakalten Molekül-Ensembles in optischen Gittern zu präparieren, stellt dabei jedoch eine große experimentelle Herausforderung dar. In der Vergangenheit gelang es nicht, Ensembles aus dipolaren Molekülen mit geringer Entropie in Gittern zu realisieren. Die Molekül-Ensembles wurden üblicherweise zunächst ohne Gitter erzeugt und in manchen Fällen im Anschluss in ein optisches Gitter geladen. Die erreichten Phasenraumdichten der Molekülensembles waren zu gering, um Systeme mit geringer Entropie zu erzeugen. In dieser Dissertation wird eine neue Methode vorgestellt, bei der Ensembles aus schwachgebundenen, heteronuklearen Molekülen direkt in einem optischen Gitter erzeugt werden. Dadurch lassen sich deutlich niedrigere Entropien erreichen, was einen idealen Ausgangspunkt für weiterführende Experimente mit dipolaren Molekülen in Gittern darstellt. Diese Arbeit ist wie folgt strukturiert: Zunächst wird die Erzeugung von 87Rb133Cs-Molkülen, den dipolaren Molekülen unserer Wahl, allgemein beschrieben. Ausgangspunkt sind hierfür ultrakalte Ensembles aus Rb- und Cs-Atomen. Die Atome werden mit Hilfe einer Feshbach-Resonanz zu schwachgebundenen RbCs-Molekülen zusammengeführt. Anschließend werden die schwachgebundenen Moleküle, Ultracold molecules with electric dipole moments are currently of large interest to the community of experimental and theoretical quantum physicists. Due to the long lifetime of stable ground-state molecules in combination with the strong long-range interaction of the electronic dipole moments, dipolar molecules are ideal candidates to study exotic quantum phases in optical lattices, such as the many-body lattice super solid. Further potential applications of dipolar molecules are the simulation of spin systems, or to use them as a platform for quantum computation. Most of these proposals require a low-entropy sample of dipolar molecules in a lattice. However, it is a great experimental challenge to prepare such ultracold molecular samples in an optical lattice. In the past the realization of low-entropy samples of dipolar molecules in lattices was not feasible. The molecular samples were typically created in the absence of a lattice and in some cases the samples were loaded into an optical lattice subsequently. The resulting phase-space densities of the molecular samples were too low to form low-entropy samples. In this thesis a novel method is introduced that is based on the formation of weakly bound heteronuclear molecules directly in an optical lattice. This way, a significantly lower entropy can be achieved, which presents an ideal starting point to study dipolar molecules in a lattice. This thesis is structured as follows: Initially, the preparation of 87Rb133Cs ground-state molecules, the dipolar molecules of our choice, is introduced. We start from ultracold samples of Rb and Cs atoms. The atoms are associated to weakly bound RbCs molecules by means of a magnetic Feshbach resonance. Subsequently the weakly bound molecules are transferred to their rovibrational and hyperfine ground-state via stimulated Raman adiabatic passage (STIRAP). Next, we demonstrate our method to form the weakly bound RbCs molecules directly in a three-dimensional (3D) optical lattice., by Andreas Schindewolf, Kumulative Dissertation aus zwei Artikeln, Zusammenfassung in deutscher Sprache, Dissertation University of Innsbruck 2018