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Dynamik, Transport und Manipulation kohärenter Spinzustände in Halbleiter-Hybridsystemen

Hohage, Patric

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Gebiet der spinbasierenden Mikroelektronik (Spintronik). Der zusätzliche Freiheits- und Informationsgrad des Spinzustandes eines Elektrons ist bisher in technologischen Anwendungen fast vollkommen vernachlässigt worden. In dieser Arbeit soll das Potenzial ausgelotet werden, eine gezielte Modifikation der kohärenten Spindynamik für Bauelement-Anwendungen in der Spintronik mit Hilfe von ferromagnetischen und metallischen Halbleiter-Hybridsystemen zu realisieren. Im Gegensatz zur Ladung, die eine Erhaltungsgröße darstellt, kann zum Beispiel die mittlere Spinausrichtung eines Elektronenensembles vollständig ins thermodynamische Gleichgewicht relaxieren (kompletter Informationsverlust). Daher nimmt das Themengebiet Spinkohärenz eine zentrale Position innerhalb der Spintronik ein. Als Messtechnik wird die zeitaufgelöste Kerr-Rotation (optische Ausrichtung) benutzt. Diese bietet eine um mehr als eine Größenordnung höhere Orts- und Energieauflösung im Vergleich zu den typischer Weise in der Literatur veröffentlichten zeitaufgelösten magneto-optischen Messeinrichtungen. So lassen sich mittels einer quasiresonanten optischen Anregung Donator gebundene und freie Elektronenspinzustände identifizieren. Sie unterscheiden bei Tieftemperatur sowohl in ihren g-Faktoren, die in verschiedenen Präzessionsfrequenzen resultieren, als auch um einen Faktor von 20 in ihren Spindephasierungszeiten. Ein optimierter Messaufbau erlaubt hochgenaue Messungen speziell auch bei Raumtemperatur mit einer Dephasierungszeit von T2* = 100 ps und einem g-Faktor von g(T=300K) = -0,316. Dazu wird der Temperaturverlauf mit hoher Genauigkeit evaluiert, der aktuell in der Wissenschaft noch widersprüchlich diskutiert wird. Zur Beeinflussung der kohärenten Spindynamik kommen das magnetische Streufeld von Ferromagneten bzw. das elektromagnetisch induzierte Feld von Leiterbahnen zum Einsatz. Es zeigt sich mit Hilfe einer Streufeldmodellierung das Potenzial, eine maßgeschneiderte Generierung von stark lokal begrenzten Magnetfeldern mittels mikrostrukturierter Magnete zu realisieren. Es wird ein Nachweis einer kohärenten Modifikation der Elektronenspindynamik sowohl bei Tieftemperatur als auch bei Raumtemperatur erbracht. In guter Übereinstimmung mit den Simulationsmodellen lassen sich mit lokal begrenzten Streufeldern von bis zu BStreu = 120 mT gezielte systematische Beeinflussungen der kohärenten Elektronenspins erreichen. Als Nebeneffekt ergibt sich, dass auch die thermisch bedingte Verspannung des GaAs-Kristallgitters, die in den Hybridsystemen bei Tieftemperatur auftreten kann, zur Beeinflussung von kohärenten Spinzuständen nutzbar ist. Mittels dieses Effekts lassen sich die Präzessionsfrequenz der Spins um bis zu 15 % und die Spindephasierungszeit um fast eine Größenordnung variieren. Verspannungen führen zudem zu einem deutlichen Anstieg der Kernspinpolarisation von ungefähr einem Faktor von 10. Der Polarisationsgrad der Kerne lässt sich dabei lokal aufgrund thermischer Kopplungen von stromdurchflossenen mikrostrukturierten Leiterbahnen gezielt manipulieren. Bei erhöhten Temperaturen wird ein Nachweis einer Manipulation kohärenter Spinzustände durch das extern kontrollierte elektromagnetische Feld der Leiterbahnen erbracht. Die hohe Ortsauflösung eignet sich ebenfalls für Untersuchungen im Bereich des Transports von Spinkohärenzen (Drift mit externem Feld oder Diffusion über Konzentrationsgradienten). In speziell hergestellten Spintransportstrukturen werden dabei innerhalb der Spindephasierungszeit von T2* = 10 ns makroskopische Transportlängen von LDrift > 10 µm für die Spinzustände erreicht. Es zeigt sich, dass die an einer festen Position vorherrschende Spinpolarisation durch das elektrische Feld gezielt kontrolliert werden kann. Die Schwerpunkte Kohärenz und Manipulation werden durch einen Vergleich zwischen GaAs und lokalisierter Mn2+ -Spins in ZnCdMnSe abgerundet. Aufgrund des fünfmal höheren g-Faktors lässt sich die Spinpolarisationsausrichtung mittels nanostrukturierter Ferromagnete innerhalb von nur 250 ps komplett umkehren. So zeigt sich in der Mn2+ -Spindynamik zum Beispiel eine auf Subnanosekundenskala zeitlich variable Ensemble-Präzessionsfrequenz und eine reduzierte Ensemble-Spindephasierungszeit. Mittels eines Modells können diese Effekte auf die unterschiedlichen Lokalisationsgrade (asymmetrische Larmorfrequenzverteilung) zurückgeführt werden. Das Ergebnis besitzt allgemeine Gültigkeit für alle lokalisierten Spinensembles.

This work deals with the field of spinbased microelectronics (Spintronics). The additional degree of freedom and information of an electron spin will be used in contrast to most of the actual technological applications in semiconductor microelectronics. The realization of potential electronic devices will be addressed via a modification of the coherent spin dynamics with ferromagnetic and metallic semiconductor hybrid systems. A time resolved Kerr rotation measurement technique with approximately one order of magnitude higher spatial and energy resolution and measurement precision compared to typical setups will be applied. Therefore, it is not only possible to study energetically different spin states in GaAs (free spins and donor bound spins) that show varying g factors and spin dephasing times at liquid helium temperature but also to resolve spin oscillations at room temperature in GaAs with a g factor of -0.316 and a spin dephasing time of 100 ps. In order to modify the coherent spin dynamics the magnetic field of micro- and nanopatterned ferromagnets and current loops will be utilized in hybrid systems up to room temperature. This strongly locally defined magnetic stray fields with up to 120 mT changes the precession frequency of the electron spins and can be designed in terms of the material and dimension of the structured micromagnets in good agreements with analytic stray field calculations. The effects of strain fields as well as polarization of nuclei spins will be discussed. With the help of current loops, a manipulation of the coherent electron spin dynamics is realizable. The high spatial resolution is well suited to study the transport of coherent electron spins. Aspects of diffusion and drift in external electric fields in special transport hybrid structures will be treated. Transport length of up to 10 µm and a control of the spatial spin polarization by electric fields will be shown. Finally, a comparison between GaAs electron spins and Mn2+ Spins in ZnCdMnSe will be presented. The coherent Mn2+ spin dynamics exhibits a time varying ensemble precession frequency and a reduced ensemble spin depashing time. A theoretical model taking into account the different localization degrees of free electron spins in GaAs and strongly localized Mn2+ spins results in an asymmetrical Larmor frequency distribution in case of Mn2+. This model is able to explain the measured data correctly and is valid for all localized spin systems in general.

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Hohage, Patric: Dynamik, Transport und Manipulation kohärenter Spinzustände in Halbleiter-Hybridsystemen. 2012.

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