Skip to main content

Scanning Probe Electronic Imaging of Lithographically Patterned Quantum Rings

  • Chapter
  • First Online:

Part of the book series: NanoScience and Technology ((NANO))

Abstract

Quantum rings patterned from two-dimensional semiconductor heterostructures exhibit a wealth of quantum transport phenomena at low temperature and in a magnetic field that can be mapped in real space thanks to dedicated scanning probe techniques. Here, we summarize our studies of GaInAs-based quantum rings by means of scanning gate microscopy both at low magnetic field, where Aharonov-Bohm interferences and the electronic local density of states are imaged, and at high magnetic field and very low temperatures, where the scanning probe can image Coulomb islands in the quantum Hall regime. This allows decrypting the apparent complexity of the magneto-resistance of a mesoscopic system in this regime. Beyond imaging and beyond a strict annular shape of the nanostructure, we show that this scanning-probe technique can also be used to unravel a new counter-intuitive behavior of branched-out rectangular quantum rings, which turns out to be a mesoscopic analog of the Braess paradox, previously known for road or other classical networks only.

This is a preview of subscription content, log in via an institution.

Buying options

Chapter
USD   29.95
Price excludes VAT (USA)
  • Available as PDF
  • Read on any device
  • Instant download
  • Own it forever
eBook
USD   84.99
Price excludes VAT (USA)
  • Available as EPUB and PDF
  • Read on any device
  • Instant download
  • Own it forever
Hardcover Book
USD   109.99
Price excludes VAT (USA)
  • Durable hardcover edition
  • Dispatched in 3 to 5 business days
  • Free shipping worldwide - see info

Tax calculation will be finalised at checkout

Purchases are for personal use only

Learn about institutional subscriptions

References

  1. B. Hackens, F. Martins, T. Ouisse, H. Sellier, S. Bollaert, X. Wallart, A. Cappy, J. Chevrier, V. Bayot, S. Huant, Nat. Phys. 2, 826 (2006)

    Article  Google Scholar 

  2. F. Martins, B. Hackens, M.G. Pala, T. Ouisse, H. Sellier, X. Wallart, S. Bollaert, A. Cappy, J. Chevrier, V. Bayot, S. Huant, Phys. Rev. Lett. 99, 136807 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  3. M.G. Pala, B. Hackens, F. Martins, H. Sellier, V. Bayot, S. Huant, T. Ouisse, Phys. Rev. B 77, 125310 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  4. M.F. Crommie, C.P. Lutz, D.M. Eigler, Science 262, 218 (1993)

    Article  ADS  Google Scholar 

  5. M.G. Pala, S. Baltazar, F. Martins, B. Hackens, H. Sellier, T. Ouisse, V. Bayot, S. Huant, Nanotechnology 20, 264021 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  6. B.J. van Wees, L.P. Kouwenhoven, C.J.P.M. Harmans, J.G. Williamson, C.E. Timmering, M.E.I. Broekaart, C.T. Foxon, J.J. Harris, Phys. Rev. Lett. 62, 2523 (1989)

    Article  ADS  Google Scholar 

  7. B. Rosenow, B.I. Halperin, Phys. Rev. Lett. 98, 106801 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  8. B. Hackens, F. Martins, S. Faniel, C.A. Dutu, H. Sellier, S. Huant, M. Pala, L. Desplanque, X. Wallart, V. Bayot, Nat. Commun. 1, 39 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  9. M.G. Pala, S. Baltazar, P. Liu, H. Sellier, B. Hackens, F. Martins, V. Bayot, X. Wallart, L. Desplanque, S. Huant, Phys. Rev. Lett. 108, 076802 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  10. D. Braess, A. Nagurney, T. Wakolbinger, Transp. Sci. 39, 446 (2005)

    Article  Google Scholar 

  11. M.A. Eriksson, R.G. Beck, M. Topinka, J.A. Katine, R.M. Westervelt, K.L. Campman, A.C. Gossard, Appl. Phys. Lett. 69, 671 (1996)

    Article  ADS  Google Scholar 

  12. M.A. Topinka, B.J. LeRoy, S.E.J. Shaw, E.J. Heller, R.M. Westervelt, K.D. Maranowski, A.C. Gossard, Science 289, 2323 (2000)

    Article  ADS  Google Scholar 

  13. M.A. Topinka, B.J. LeRoy, R.M. Westervelt, S.E.J. Shaw, R. Fleischmann, E.J. Heller, K.D. Maranowski, A.C. Gossard, Nature 410, 183 (2001)

    Article  ADS  Google Scholar 

  14. N. Paradiso, S. Heun, S. Roddaro, G. Biasiol, L. Sorba, V. Venturelli, F. Taddei, F. Giovannetti, F. Beltram, Phys. Rev. B 86, 085326 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  15. C. Obermüller, A. Deisenrieder, G. Abstreiter, K. Karrai, S. Grosse, S. Manus, J. Feldmann, H. Lipsanen, M. Sopanen, J. Ahopelto, Appl. Phys. Lett. 75, 358 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  16. M. Brun, S. Huant, J.C. Woehl, J.F. Motte, L. Marsal, H. Mariette, J. Microsc. 202, 202 (2001)

    Article  MathSciNet  Google Scholar 

  17. K. Karrai, R.D. Grober, Appl. Phys. Lett. 66, 1842 (1995)

    Article  ADS  Google Scholar 

  18. K.E. Aidala, R.E. Parrott, T. Kramer, E.J. Heller, R.M. Westervelt, M.P. Hanson, A.C. Gossard, Nat. Phys. 3, 464 (2007)

    Article  Google Scholar 

  19. A. Pioda, S. Kicin, T. Ihn, M. Sigrist, A. Fuhrer, K. Ensslin, A. Weichselbaum, S.E. Ulloa, M. Reinwald, W. Wegscheider, Phys. Rev. Lett. 93, 216801 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  20. P. Fallahi, A.C. Bleszynski, R.M. Westervelt, J. Huang, J.D. Walls, E.J. Heller, M. Hanson, A.C. Gossard, Nano Lett. 5, 223 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  21. A.C. Bleszynski, F.A. Zwanenburg, R.M. Westervelt, A.L. Roest, E.P.A.M. Bakkers, L.P. Kouwenhoven, Nano Lett. 7, 2559 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  22. R. Crook, C.G. Smith, A.C. Graham, I. Farrer, H.E. Beere, D.A. Ritchie, Phys. Rev. Lett. 91, 246803 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  23. M.R. Connolly, K.L. Chiou, C.G. Smith, D. Anderson, G.A.C. Jones, A. Lombardo, A. Fasoli, A.C. Ferrari, Appl. Phys. Lett. 96, 113501 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  24. J. Berezovsky, M.F. Borunda, E.J. Heller, R.M. Westervelt, Nanotechnology 21, 274013 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  25. J. Berezovsky, R.M. Westervelt, Nanotechnology 21, 274014 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  26. S. Schnez, J. Guttinger, M. Huefner, C. Stampfer, K. Ensslin, T. Ihn, Phys. Rev. B 82, 165445 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  27. M.R. Connolly, K.L. Chiu, A. Lombardo, A. Fasoli, A.C. Ferrari, D. Anderson, G.A.C. Jones, C.G. Smith, Phys. Rev. B 83, 115441 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  28. N. Pascher, D. Bischoff, T. Ihn, K. Ensslin, Appl. Phys. Lett. 101, 063101 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  29. M.R. Connolly, R.K. Puddy, D. Logoteta, P. Marconcini, M. Roy, J.P. Griffiths, G.A.C. Jones, P.A. Maksym, M. Macucci, C.G. Smith, Nano Lett. 12, 5448 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  30. H. Sellier, B. Hackens, M.G. Pala, F. Martins, S. Baltazar, X. Wallart, L. Desplanque, V. Bayot, S. Huant, Semicond. Sci. Technol. 26, 064008 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  31. S. Washburn, H. Schmid, D. Kern, R.A. Webb, Phys. Rev. Lett. 59, 1791 (1987)

    Article  ADS  Google Scholar 

  32. R.A. Webb, S. Washburn, C.P. Umbach, R.B. Laibowitz, Phys. Rev. Lett. 54, 2696 (1985)

    Article  ADS  Google Scholar 

  33. F. Martins, B. Hackens, H. Sellier, P. Liu, M.G. Pala, S. Baltazar, L. Desplanque, X. Wallart, V. Bayot, S. Huant, Acta Phys. Pol. A 119, 569 (2011)

    Google Scholar 

  34. B. Szafran, Phys. Rev. B 84, 075336 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  35. G. Colas des Francs, C. Girard, J.C. Weeber, C. Chicane, T. David, A. Dereux, D. Peyrade, Phys. Rev. Lett. 86, 4950 (2001)

    Article  ADS  Google Scholar 

  36. C. Chicanne, T. David, R. Quidant, J.C. Weeber, Y. Lacroute, E. Bourillot, A. Dereux, G. Colas des Francs, C. Girard, Phys. Rev. Lett. 88, 097402 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  37. A. Cuche, O. Mollet, A. Drezet, S. Huant, Nano Lett. 10, 4566 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  38. R.E. Prange, S.M. Girvin, The Quantum Hall Effect, 2nd edn. (Springer, New York, 1990)

    Book  Google Scholar 

  39. V.J. Goldman, B. Su, Science 267, 1010 (1995)

    Article  ADS  Google Scholar 

  40. R.P. Taylor, A.S. Sachrajda, P. Zawadzki, P.T. Coleridge, J.A. Adams, Phys. Rev. Lett. 69, 1989 (1992)

    Article  ADS  Google Scholar 

  41. M. Kataoka, C.J.B. Ford, G. Faini, D. Mailly, M.Y. Simmons, D.R. Mace, C.-T. Liang, D.A. Ritchie, Phys. Rev. Lett. 83, 160 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  42. F.E. Camino, W. Zhou, V.J. Goldman, Phys. Rev. B 72, 075342 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  43. Y. Zhang, D.T. McClure, E.M. Levenson-Falk, C.M. Marcus, L.N. Pfeiffer, K.W. West, Phys. Rev. B 79, 241304 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  44. A.J.M. Giesbers, U. Zeitler, M.I. Katsnelson, D. Reuter, A.D. Wieck, G. Biasiol, L. Sorba, J.C. Maan, Nat. Phys. 6, 173 (2010)

    Article  Google Scholar 

  45. C. Zhou, M. Berciu, Phys. Rev. B 72, 085306 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  46. E. Peled, D. Shahar, Y. Chen, E. Diez, D.L. Sivco, A.Y. Cho, Phys. Rev. Lett. 93, 236802 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  47. N. Aoki, C.R. da Cunha, R. Akis, D.K. Ferry, Y. Ochiai, Phys. Rev. B 72, 155327 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  48. A. Baumgartner, T. Ihn, K. Ensslin, K.D. Maranowski, A.C. Gossard, Phys. Rev. B 76, 085316 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  49. A. Baumgartner, T. Ihn, K. Ensslin, G. Papp, F. Peeters, K.D. Maranowski, A.C. Gossard, Phys. Rev. B 74, 165426 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  50. N. Paradiso, S. Heun, S. Roddaro, D. Venturelli, F. Taddei, V. Giovannetti, R. Fazio, G. Biasiol, L. Sorba, F. Beltram, Phys. Rev. B 83, 155305 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  51. H. Youn, M.T. Gastner, H. Jeong, Phys. Rev. Lett. 101, 128701 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  52. C.M. Penchina, L.J. Penchina, Am. J. Phys. 71, 479 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  53. D. Witthaut, M. Timme, New J. Phys. 14, 083036 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  54. R.A. Webb, S. Washburn, C.P. Umbach, R.B. Laibowitz, Phys. Rev. Lett. 54, 2696 (1985)

    Article  ADS  Google Scholar 

  55. M. Pala, H. Sellier, B. Hackens, F. Martins, V. Bayot, S. Huant, Nanoscale Res. Lett. 7, 472 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

Download references

Acknowledgements

B.H. and F.M. are associate and postdoctoral researchers respectively with the Belgian FRS-FNRS. This work has been supported by FRFC grant no. 2.4.546.08.F and FNRS grant no 1.5.044.07.F, by the Belgian Science Policy (Interuniversity Attraction Pole Program IAP-6/42) as well as by the PNANO 2007 program of the Agence Nationale de la Recherche, France (“MICATEC” project). V.B. acknowledges the award of a “Chaire d’excellence” by the Nanoscience Foundation in Grenoble.

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to S. Huant .

Editor information

Editors and Affiliations

Rights and permissions

Reprints and permissions

Copyright information

© 2014 Springer-Verlag Berlin Heidelberg

About this chapter

Cite this chapter

Martins, F., Sellier, H., Pala, M.G., Hackens, B., Bayot, V., Huant, S. (2014). Scanning Probe Electronic Imaging of Lithographically Patterned Quantum Rings. In: Fomin, V. (eds) Physics of Quantum Rings. NanoScience and Technology. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-39197-2_5

Download citation

Publish with us

Policies and ethics