Shot noise control in coherent nanoscale conductors

Subject of this thesis is the theoretical investigation of the noise characteristics of nanoscale conductors under the influence of a time-dependent external field. The electron transport through the nanoconductor is enabled via the coupling to macroscopic metal electrodes. In a Floquet-Green formalism, general expressions for the time-averaged electrical current and the associated current noise in terms of the retarded Green function are derived. Thereby, the Green function is expanded in terms of a Floquet ansatz and the metallic leads are eliminated in favor of a self-energy term. This approach can be interpreted as an extension of the Landauer formalism to time-dependent scattering. In addition, a rotating-wave approximation applicable for high-frequency driving is developed which allows the analytical solution of the transport problem by an approximate reduction to a time-independent system with renormalized parameters. With the scattering formalism at hand, an unbiased two-level system is described modelling the transport through two orbitals of a molecule excited by infrared laser light, as well as the transport through a double-well heterostructure driven by a gate voltage. Depending on the ratio of the driving amplitude and frequency, the time-averaged current and the noise power can be suppressed coherently. Moreover, regarding the relative noise strength by means of the Fano factor, remarkably low minimal values, i.e., strong shot noise reductions, are observed in the vicinity of the current suppressions. As a further example, the shot noise behavior in an asymmetric double quantum dot is investigated. Driven by microwave radiation, this setup serves as a nonadiabatic electron pump if no external bias voltage is applied. The pump current assumes a maximum for resonant driving while the noise power exhibits at the same time a minimum. Therefore, coupled quantum dots are ideal for pumping electrons effectively and reliably at a low noise level.Thema dieser Arbeit ist die theoretische Untersuchung der Rauscheigenschaften von nanostrukturierten Leitern unter dem Einfluß eines äußeren zeitabhängigen Feldes. Der Elektronentransport durch den Nanoleiter wird durch die Ankopplung von makroskopischen metallischen Elektroden ermöglicht. Im Rahmen eines Green-Floquet Formalismus werden allgemeine Ausdrücke für den elektrischen Gleichstrom und dessen Stromrauschen mittels der retardierten Greenschen Funktion hergeleitet. Dabei wird die Greensche Funktion entwickelt durch einen Floquetansatz und die metallischen Zuleitungen werden zugunsten einer Selbstenergie eliminiert. Dieser Zugang kann als Erweiterung des Landauer Formalismus im Sinne einer zeitabhängigen Streutheorie interpretiert werden. Ebenso wird eine rotating-wave Näherung anwendbar für Hochfrequenzantrieb entwickelt, die die analytische Lösung des Transportproblems durch eine näherungsweise Abbildung auf ein zeitunabhängiges System mit renormalisierten Parametern ermöglicht. Mit Hilfe des Streuformalismus wird ein Zwei-Niveau System ohne Bias beschrieben, welches den Transport durch zwei Orbitale eines Moleküls modelliert oder auch den Transport durch eine Heterostruktur mit Doppeltopfpotential getrieben durch eine Gaterspannnung. Abhängig von dem Verhältnis der Antriebsamplitude und -frequenz, kann der zeitgemittelte Strom und die Rauschstärke kohärent unterdrückt werden. Zusätzlich beobachtet man in der Nähe dieser Stromunterdrückungen ausgesprochen niedrige Minimalwerte für die relative Rauschstärke anhand des Fanofaktors, d.h. man beobachtet eine starke Reduzierung des Schrotrauschen. Als ein weiteres Beispiel wird das Schrotrauschverhalten in einem asymmetrischen Doppelquantenpunkt untersucht. Getrieben durch Mikrowellenstrahlung dient dieser Aufbau als nicht-adiabatische Elektronenpumpe falls keine externe Transportspannung angelegt wird. Der Pumpstrom nimmt für resonanten Antrieb ein Maximum ein, während gleichzeitig die Rauschstärke ein Minimum aufweist. Gekoppelte Quantenpunkte sind deshalb ideal, um bei einem niedrigem Rauschniveau effektiv und verlässlich Elektronen zu pumpen