Hohage, Patric Erich:

Dynamik, Transport und Manipulation kohärenter Spinzustände in Halbleiter-Hybridsystemen

Duisburg, Essen (2012), XIV, 237, XVIII S.
Dissertation / Fach: Elektrotechnik
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Elektrotechnik und Informationstechnik
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2012
Abstract:
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.