@PhdThesis{duepublico_mods_00028556,
  author = 	{Hohage, Patric},
  title = 	{Dynamik, Transport und Manipulation koh{\"a}renter Spinzust{\"a}nde in Halbleiter-Hybridsystemen},
  year = 	{2012},
  month = 	{Jun},
  day = 	{25},
  keywords = 	{Koh{\"a}rente Spindynamik; Halbleiter-Hybridsysteme; Spinmanipulation; Spintransport},
  abstract = 	{Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit dem Gebiet der spinbasierenden Mikroelektronik (Spintronik). Der zus{\"a}tzliche Freiheits- und Informationsgrad des Spinzustandes eines Elektrons ist bisher in technologischen Anwendungen fast vollkommen vernachl{\"a}ssigt worden. In dieser Arbeit soll das Potenzial ausgelotet werden, eine gezielte Modifikation der koh{\"a}renten Spindynamik f{\"u}r Bauelement-Anwendungen in der Spintronik mit Hilfe von ferromagnetischen und metallischen Halbleiter-Hybridsystemen zu realisieren. 
   Im Gegensatz zur Ladung, die eine Erhaltungsgr{\"o}{\ss}e darstellt, kann zum Beispiel die mittlere Spinausrichtung eines Elektronenensembles vollst{\"a}ndig ins thermodynamische Gleichgewicht relaxieren (kompletter Informationsverlust). Daher nimmt das Themengebiet Spinkoh{\"a}renz eine zentrale Position innerhalb der Spintronik ein. Als Messtechnik wird die zeitaufgel{\"o}ste Kerr-Rotation (optische Ausrichtung) benutzt. Diese bietet eine um mehr als eine Gr{\"o}{\ss}enordnung h{\"o}here Orts- und Energieaufl{\"o}sung im Vergleich zu den typischer Weise in der Literatur ver{\"o}ffentlichten zeitaufgel{\"o}sten magneto-optischen Messeinrichtungen. So lassen sich mittels einer quasiresonanten optischen Anregung Donator gebundene und freie Elektronenspinzust{\"a}nde identifizieren. Sie unterscheiden bei Tieftemperatur sowohl in ihren g-Faktoren, die in verschiedenen Pr{\"a}zessionsfrequenzen 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 widerspr{\"u}chlich diskutiert wird. 
   Zur Beeinflussung der koh{\"a}renten 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 ma{\ss}geschneiderte Generierung von stark lokal begrenzten Magnetfeldern mittels mikrostrukturierter Magnete zu realisieren. Es wird ein Nachweis einer koh{\"a}renten Modifikation der Elektronenspindynamik sowohl bei Tieftemperatur als auch bei Raumtemperatur erbracht. In guter {\"U}bereinstimmung mit den Simulationsmodellen lassen sich mit lokal begrenzten Streufeldern von bis zu BStreu = 120 mT gezielte systematische Beeinflussungen der koh{\"a}renten 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 koh{\"a}renten Spinzust{\"a}nden nutzbar ist. Mittels dieses Effekts lassen sich die Pr{\"a}zessionsfrequenz der Spins um bis zu 15 {\%} und die Spindephasierungszeit um fast eine Gr{\"o}{\ss}enordnung variieren. Verspannungen f{\"u}hren zudem zu einem deutlichen Anstieg der Kernspinpolarisation von ungef{\"a}hr einem Faktor von 10. Der Polarisationsgrad der Kerne l{\"a}sst sich dabei lokal aufgrund thermischer Kopplungen von stromdurchflossenen mikrostrukturierten Leiterbahnen gezielt manipulieren. Bei erh{\"o}hten Temperaturen wird ein Nachweis einer Manipulation koh{\"a}renter Spinzust{\"a}nde durch das extern kontrollierte elektromagnetische Feld der Leiterbahnen erbracht.
   Die hohe Ortsaufl{\"o}sung eignet sich ebenfalls f{\"u}r Untersuchungen im Bereich des Transports von Spinkoh{\"a}renzen (Drift mit externem Feld oder Diffusion {\"u}ber Konzentrationsgradienten). In speziell hergestellten Spintransportstrukturen werden dabei innerhalb der Spindephasierungszeit von T2* = 10 ns makroskopische Transportl{\"a}ngen von LDrift > 10 {\textmu}m f{\"u}r die Spinzust{\"a}nde erreicht. Es zeigt sich, dass die an einer festen Position vorherrschende Spinpolarisation durch das elektrische Feld gezielt kontrolliert werden kann. 
   Die Schwerpunkte Koh{\"a}renz und Manipulation werden durch einen Vergleich zwischen GaAs und lokalisierter Mn2+ -Spins in ZnCdMnSe abgerundet. Aufgrund des f{\"u}nfmal h{\"o}heren g-Faktors l{\"a}sst 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-Pr{\"a}zessionsfrequenz und eine reduzierte Ensemble-Spindephasierungszeit. Mittels eines Modells k{\"o}nnen diese Effekte auf die unterschiedlichen Lokalisationsgrade (asymmetrische Larmorfrequenzverteilung) zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Das Ergebnis besitzt allgemeine G{\"u}ltigkeit f{\"u}r alle lokalisierten Spinensembles.},
  url = 	{https://duepublico2.uni-due.de/receive/duepublico_mods_00028556},
  file = 	{:https://duepublico2.uni-due.de/servlets/MCRFileNodeServlet/duepublico_derivate_00030764/Hohage_Patric_Diss.pdf:PDF},
  language = 	{de}
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