Co-tunneling current and shot noise in quantum dots

We derive general expressions for the current and shot noise, taking into account non-Markovian memory effects. In generalization of previous approaches our theory is valid for arbitrary Coulomb interaction and coupling strength and is applicable to quantum dots and more complex systems like molecules. A diagrammatic expansion up to second-order in the coupling strength, taking into account co-tunneling processes, allows for a study of transport in a regime relevant to many experiments. As an example, we consider a single-level quantum dot, focusing on the Coulomb-blockade regime. We find super-Poissonian shot noise due to spin-flip co-tunneling processes at an energy scale different from the one expected from first-order calculations, with a sensitive dependence on the coupling strength.Comment: 4 pages, three figures, submitted to PR

Super-poissonian noise, negative differential conductance, and relaxation effects in transport through molecules, quantum dots and nanotubes

We consider charge transport through a nanoscopic object, e.g. single molecules, short nanotubes, or quantum dots, that is weakly coupled to metallic electrodes. We account for several levels of the molecule/quantum dot with level-dependent coupling strengths, and allow for relaxation of the excited states. The current-voltage characteristics as well as the current noise are calculated within first-order perturbation expansion in the coupling strengths. For the case of asymmetric coupling to the leads we predict negative-differential-conductance accompanied with super-poissonian noise. Both effects are destroyed by fast relaxation processes. The non-monotonic behavior of the shot noise as a function of bias and relaxation rate reflects the details of the electronic structure and level-dependent coupling strengths.Comment: 8 pages, 7 figures, submitted to Phys. Rev. B, added reference

Multiscale scanning with nuisance parameters

We investigate the problem to find anomalies in a $d$-dimensional random field via multiscale scanning in the presence of nuisance parameters. This covers the common situation that either the baseline-level or additional parameters such as the variance are unknown and have to be estimated from the data. We argue that state of the art approaches to determine asymptotically correct critical values for the multiscale scanning statistic will in general fail when naively such parameters are replaced by plug-in estimators. Opposed to this, we suggest to estimate the nuisance parameters on the largest scale and to use the remaining scales for multiscale scanning. We prove a uniform invariance principle for the resulting adjusted multiscale statistic (AMS), which is widely applicable and provides a computationally feasible way to simulate asymptotically correct critical values. We illustrate the implications of our theoretical results in a simulation study and in a real data example from super-resolution STED microscopy. This allows us to identify interesting regions inside a specimen in a pre-scan with controlled family-wise error rate

Computergestützte Lehr- und Lernmaterialien zur chemischen Bindung. Entwicklung - Erprobung - Erhebung

Die Rahmen dieser Arbeit wurden computergestützte multimediale Lehr- und Lernhilfen entwickelt, im Unterricht erprobt und evaluiert. Im ersten Teil wurden die neuzeitlichen Betrachtungen zum Aufbau der Materie sowie Atommodelle aus Schul- und Lehrbüchern beleuchtet. Im Anschluss daran wurden diese Modellvorstellungen auf ihre Erweiterbarkeit bezogen auf die Chemische Bindung untersucht. Gefolgt von einer sachanalytischen Betrachtung der Chemischen Bindung wurden die Bindungsmodelle der Lehr- und Schulbücher sowie Curricula aufgelistet und diskutiert. Nach der Prüfung der unterschiedlichen Modellvorstellungen auf ihre Eignung zur Beschreibung von Übergängen zwischen den Bindungstypen wurden die Möglichkeiten für Visualisierungshilfen reflektiert und das Elektronenwolkenmodell als eine geeignete Modellvorstellung ausgewählt. Danach wurden Vorstellungen und Misconceptions aber auch Lernschwierigkeiten zum Thema der Chemischen Bindung recherchiert. Im Bereich der äußeren Faktoren wurden Schwierigkeiten im Bezug auf die Lernumgebung, die Lehrenden, der Lerngegenstand selbst und die Reihenfolge der Bindungstypen besprochen. Im Bereich der inneren Faktoren wurden Misconceptions in Bezug auf unterschiedliche Modelle, die Interpretation von Abbildungen und Sachmodellen sowie die Anwendung von Anthropomorphismen und Analogien im Unterricht aber auch Schwierigkeiten bei der Trennung von atomarer und stofflicher Ebene beleuchtet. Aus dieser Diskussion wurden die nötigen Schlussfolgerungen für eine computergestützte Entwicklung der Unterrichtsmaterialien gezogen und Vorteile herausgearbeitet. Aufbauend auf eine Vorstudie bezüglich der Vorstellungen zum Atombau und der Chemischen Bindung in der 12. Jahrgangstufe wurden computergestützten Lehr- und Lernhilfen entwickelt, die in einer Untersuchung mit 147 Schülerinnen und Schüler der 9. und 10 Jahrgangsstufe innerhalb des Unterrichtes eingesetzt wurden. Die Vorgehensweise bei der Erstellung der Module sowie die entstandenen Inhalte des Projektes und der einzelnen Module wurden beschrieben. Der Aufbau und die Einbettung der Module innerhalb der Materialien wurden begründet und sich ergebende Hypothesen für die anstehende Untersuchung formuliert. Im folgenden wurde die Unterrichtskonzeption beschrieben, die die Versuchsgruppen, den Aufbau sowie den Verlauf der Unterrichtsreihen beinhaltet. Die Erstellung der Fragebögen, die Auswahl der einzelnen Items sowie das Design der Erhebung der Unterrichtsreihen wurden beschrieben. Die Zuordnung von Itemmuster zu Leistungswerten wurde erörtert und die Begründung für die Durchführung von Interviews dargelegt. Abschließend wurden die unterschiedlichen Untersuchungen, ihre Methoden und Auswertung geschildert sowie die Ergebnisse ausführlich dargelegt. Am Beispiel dieser Lehr- und Lernhilfen wurde untersucht, ob das Anbieten fachchemischer Inhalte aus dem Bereich der Chemischen Bindung mittels dreidimensionaler Animationen im Gegensatz zum Einsatz herkömmlicher Materialien und Modelle zu unterschiedlichen Lernergebnissen führt. Es zeigte sich, dass die Lernenden, die unter Zuhilfenahme der Lehr- und Lernhilfe unterrichtet wurden in den meisten Inhaltsbereichen im Mittel höhere Leistungen erreicht haben. Die Lernenden der Versuchsgruppe haben nicht nur allgemein bessere Leistungen erzielt, sondern ebenso in fast allen Fragen zur verwendeten Modellvorstellung. Die eingesetzten computergestützten Lehr- und Lernmaterialien erwiesen sich vorteilhaft für den Lernerfolg. Die Akzeptanz der verwendeten Materialien war, sowohl bei den Lehrenden als auch bei den Lernenden, überwiegend positiv. Durch die 3D-Animationen mittels Computer-Technologie wurde der Lerninhalt der chemischen Bindung visualisiert und veranschaulicht, doch der lernfördernde Effekt grafisch-visueller Veranschaulichungen unter Zuhilfenahme von Photo-, Bild- oder Videoelementen war bereits zuvor unumstritten. Es besteht jedoch im Hinblick auf die Ermittlung nach der sinnvollen Kombination unterschiedlicher Kodierungsformen und dem Grund deren Verständlichkeit noch Forschungsbedarf. Auch im Bereich der möglichen Reihenfolge der Zusammenstellung unterschiedlicher Materialien, Unterrichtseinheiten, Lektionen oder Hausaufgaben könnten noch logische Zusammenhänge erforscht werden, die eine Begründung dafür liefern könnten, warum die LEWIS-Schreibweise nach der Einführung des Elektronenwolkenmodells von den Lernenden schneller verstanden wird. Auch auf dem Gebiet der Anschlussfähigkeit der erstellten Lehr- und Lernhilfen für die Lerninhalte der Sekundarstufe II sollten noch Daten erhoben werden

Asymmetry of charge relaxation times in quantum dots: The influence of degeneracy

Using time-resolved transconductance spectroscopy, we study the tunneling dynamics between a two-dimensional electron gas (2DEG) and self-assembled quantum dots (QDs), embedded in a field-effect transistor structure. We find that the tunneling of electrons from the 2DEG into the QDs is governed by a different time constant than the reverse process, i.e., tunneling from the QDs to the 2DEG. This asymmetry is a clear signature of Coulomb interaction and makes it possible to determine the degeneracy of the quantum dot orbitals even when the individual states cannot be resolved energetically because of inhomogeneous broadening. Our experimental data can be qualitatively explained within a master-equation approach

Didaktische Konzeptionen und wissenschaftliche Leitbilder in deutschen und französischen Erdkundeschulbüchern – untersucht anhand der Häufigkeit eindeutig definierbarer Darstellungs- und Auftragsformen

Die Ziele, wissenschaftlichen Leitbilder und didaktischen Konzeptionen des Geographieunterrichts werden in Deutschland in den Richtlinien der Bundesländer, in Frankreich in den sogenannten programmes vorgegeben. In dieser Untersuchung sollen jeweils sechs französische und deutsche Erdkunde-Schulbücher, die ausnahmslos in den Jahren zwischen 1992-1998 erschienen sind, bezüglich der Umsetzung dieser Ziele, Leitbilder und Konzeptionen vergleichend anhand der Häufigkeit eindeutig definierbarer Darstellungs- und Auftragsformen sowie Fragestellungen analysiert werden

Unraveling spin dynamics from charge fluctuations

The use of single electron spins in quantum dots as qubits requires detailed knowledge about the processes involved in their initialization and operation as well as their relaxation and decoherence. In optical schemes for such spin qubits, spin-flip Raman as well as Auger processes play an important role, in addition to environment-induced spin relaxation. In this paper, we demonstrate how to quantitatively access all the spin-related processes in one go by monitoring the charge fluctuations of the quantum dot. For this, we employ resonance fluorescence and analyze the charge fluctuations in terms of waiting-time distributions and full counting statistics characterized by factorial cumulants.Comment: 14 pages, 8 figure

Shot noise in tunneling transport through molecules and quantum dots

We consider electrical transport through single molecules coupled to metal electrodes via tunneling barriers. Approximating the molecule by the Anderson impurity model as the simplest model which includes Coulomb charging effects, we extend the ``orthodox'' theory to expand current and shot noise systematically order by order in the tunnel couplings. In particular, we show that a combined measurement of current and shot noise reveals detailed information of the system even in the weak-coupling limit, such as the ratio of the tunnel-coupling strengths of the molecule to the left and right electrode, and the presence of the Coulomb charging energy. Our analysis holds for single-level quantum dots as well.Comment: 8 page