Mikroskopische Theorie der Spinrelaxation und Spindephasierung in Halbleiter-Quantenstrukturen

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-opus-5883
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.10360

Lechner, Christian

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Date of publication of this fulltext: 21 Nov 2005 07:03

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Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Formulierung einer
mikroskopischen Theorie der Spinrelaxation und der Spindephasierung in
Halbleiter-Quantenstrukturen. Als Grundlage für die mikroskopische Theorie
dient das Konzept der Bloch-Gleichungen im Dichtematrixformalismus. Diese Gleichungen werden üblicherweise zur Beschreibung der Ladungsträgerdynamik in optisch angeregten Halbleiter-Quantenstrukturen verwendet, bisher jedoch ohne den Spin der Ladungsträger explizit zu berücksichtigen. In dieser Arbeit wurde das Konzept der Bloch-Gleichungen bezüglich der Spindynamik der Ladungsträger in optisch angeregten Quantenstrukturen erweitert.

Der Schwerpunkt der Betrachtungen liegt auf den Phänomenen der Spinrelaxation und Spindephasierung und den damit verbundenen Relaxationsraten der Nichtgleichgewichtsverteilung der Spins und der Spinkohärenz. Die Erweiterung der Bloch-Gleichungen umfasst sowohl die konsistente Beschreibung des Polarisationsfreiheitsgrades des treibenden Lichtfeldes (als Erzeugungsmechanismus einer Ungleichgewichtsverteilung) als auch die Beschreibung der für die Relaxation verantwortlichen Streumechanismen in zweiter Bornscher Näherung unter Berücksichtigung der Spin-Bahn Wechselwirkung. Die untersuchten Streumechanismen umfassen die Ladungsträger-Phonon-Streuung, die Coulomb-Streuung (einschließlich der Austausch-Wechselwirkung) und die Streuung an nichtmagnetischen Störstellen. Folglich konnte eine Erweiterung der optischen Bloch-Gleichungen sowie der Halbleiter-Bloch- Gleichungen bezüglich des Spins der Ladungsträger unter Verwendung eines korrelationsbasierten Abbruchschemas erzielt werden.
Phänomenologische Vorhersagen über die Zusammenhänge zwischen den mikroskopischen Zerfallszeiten der Bloch-Gleichungen und den makroskopischen Spinrelaxations- und Spindephasierungszeiten wurden bewiesen. Dies entspricht einer mikroskopischen Darstellung der Spinrelaxationsmechanismen nach D'yakonov und Perel', Elliott und Yafet und Bir, Aronov und Pikus.

Der letzte Teil der Arbeit widmete sich der numerischen Simulation
der gewonnenen Bewegungsgleichungen in einfachen Quantenstruktur-Modellen. Die Simulationen geben die Spindynamik im Vergleich zu den üblichen phänomenologischen Rechnungen qualitativ richtig wieder. Dabei konnten nicht nur die phänomenologischen Grenzfälle der Dynamik dargestellt werden, sondern auch der Übergangsbereich zwischen diesen war der Simulation als Folge der mikroskopischen Formulierung zugänglich. Die Arbeit schließt mit einer detaillierten Untersuchung der Temperaturabhängigkeit des D'yakonov-Perel' Mechanismus unter der Streuung mit Phononen.

Translation of the abstract (English)

The intention of this work is the formulation of a microscopic theory of spin relaxation and spin dephasing in semiconductor-quantum-structures. The microscopic theory foots on the concept of the Bloch-equations making use of the density matrix formalism. These equations are generally used in order to describe the carrier-dynamics due to optical excitation in semiconductor-
heterostructures, but yet without explicitly addressing the spin degree-of-freedom of the carriers. Within this thesis the concept of the Bloch-equations was extended towards the spin dynamics of carriers within optically excited quantum-structures.

The phenomena of spin relaxation and spin dephasing connected with the decay of a non-equilibrium spin-distribution and spin-coherence represent the emphasis of the work. The extension of the Bloch-equations includes both the consistent description of the polarization degree-of-freedom of the exciting light-field (responsible for the non-equilibrium distribution) and the description of scattering in the second order Born approximation including the spin-orbit
interaction. The scattering mechanisms under investigation have been the carrier-phonon scattering, the Coulomb interaction (including the exchange interaction) and the scattering with non-magnetic impurities. As a consequence, the optical Bloch-equations and the semiconductor-Bloch-equations
have been extended with respect to the spin degree-of-freedom of the carriers using a correlation-based truncation scheme for the equations-of-motion. Hence, phenomenological predictions concerning the connection between the microscopic decay times of the Bloch-equations and the macroscopic spin relaxation and spin dephasing times haven been proven. This corresponds to a microscopic formulation of the spin relaxation mechanisms according to D'yakonov and Perel', Elliott and Yafet and Bir, Aronov and Pikus.

The last part of the thesis deals with the numerical simulation of the derived
equations-of-motion in simple quantum-structure models. The simulations describe the spin-dynamics qualitatively correct in comparison with phenomenological calculations. In addition to the phenomenological limiting cases of the dynamics, we were able to simulate the transition region between those cases as a consequence of our microscopic formulation. The work is completed by a detailed investigation of the temperature dependence of the
D'yakonov Perel' mechanism under electron-phonon scattering.

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