Transportuntersuchungen von Quanteninterferenzeffekten in ferromagnetischen (Ga,Mn)As Nanostrukturen

Abstract (German)

Diese Arbeit beschreibt die erste Beobachtung von phasenkohärenten Phänomenen (Universelle Leitwertfluktuationen und Aharonov-Bohm Effekt) in einem neuen Materialsystem, den ferromagnetischen Halbleitern. Die Entdeckung der ferromagnetischen III-V Halbleiter (In,Mn)As und (Ga,Mn)As weckte großes Interesse an diesen Materialien, da diese die ferromagnetischen Eigenschaften von Metallen mit der ...

Abstract (German)

Diese Arbeit beschreibt die erste Beobachtung von phasenkohärenten Phänomenen (Universelle Leitwertfluktuationen und Aharonov-Bohm Effekt) in einem neuen Materialsystem, den ferromagnetischen Halbleitern.
Die Entdeckung der ferromagnetischen III-V Halbleiter (In,Mn)As und (Ga,Mn)As weckte großes Interesse an diesen Materialien, da diese die ferromagnetischen Eigenschaften von Metallen mit der Vielseitigkeit von Halbleitern verknüpfen. Dies erlaubt es z.B. den Ferromagnetismus mit Hilfe eines elektrischen Feldes zu beeinflussen, was zu neuen Aussichten im Bereich von Anwendungen und der Grundlagenforschung führt. Obwohl es sich bei (Ga,Mn)As um ein Material von hoher kristalliner Qualität handelt, ist es doch ein sehr stark gestörter Leiter an der Grenze zum Metall-Isolator Übergang mit einer mittleren freien Weglänge der Ladungsträger im Bereich weniger Gitterkonstanten. Daher waren Quanten Effekte wie Shubnikov-de Haas oder Aharonov-Bohm (AB) Oszillationen oder Universelle Leitwertfluktuationen (UCF) bis jetzt nicht zugänglich. In dieser Arbeit wird die Beobachtung von Universellen Leitwertfluktuationen und Aharonov-Bohm Oszillationen bei sehr tiefen Temperaturen und Anregungsströmen beschrieben. Trotz der vorgegebenen kurzen freien Weglänge konnte ein überraschend großer Wert für die Phasenkohärenzlänge von etwa 100 nm im Bereich von wenigen mK gefunden werden. Dies zeigt, dass Interferenzeffekte, welche den Wellencharakter in diesen Materialien testen, berücksichtigt werden müssen, um mesoskopische Phänomene interpretieren zu können. Eine Analyse der Längen- und Temperaturabhängigkeit der Leitwertfluktuationen deckte eine T-1 Abhängigkeit der Dekohärenzzeit auf.

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The work describes the first observation of phase-coherent phenomena (Universal Conductance Fluctuation and Aharonov-Bohm Effect) in a new class of materials � ferromagnetic semiconductors. The discovery of the ferromagnetic III-V semiconductor materials (In,Mn)As and (Ga,Mn)As has generated a lot of interest as these materials combine ferromagnetic properties, typical for metals, with the ...

Translation of the abstract (English)

The work describes the first observation of phase-coherent phenomena (Universal Conductance Fluctuation and Aharonov-Bohm Effect) in a new class of materials � ferromagnetic semiconductors.
The discovery of the ferromagnetic III-V semiconductor materials (In,Mn)As and (Ga,Mn)As has generated a lot of interest as these materials combine ferromagnetic properties, typical for metals, with the versatility of semiconductors. This allows, e.g., to control ferromagnetism by electric fields thus opening new prospects for application and fundamental research. Despite the high crystalline quality of the material (Ga,Mn)As is a quite disordered conductor on the verge of the metal-insulator transition with typical mean free path of the charge carriers of a few lattice constants. Hence quantum effects like Shubnikov-de Haas or Aharonov-Bohm (AB) oscillations or universal conductance fluctuations (UCF) were not yet accessible. In this work the observation of universal conductance fluctuations and Aharonov-Bohm effect in nanoscale (Ga,Mn)As wires and rings at very low temperatures and probe currents are reported. Given the short mean free paths, surprisingly long phase coherence lengths of order 100 nm at millikelvin temperatures were found, thus showing that interference phenomena, probing the wave nature of the charge carriers in these material systems, need to be taken into account to explain phenomena on small length scales. An analysis of length and temperature dependence of the fluctuations reveals a T-1 temperature dependence of the dephasing time.

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