Spin dynamics in high-mobility two-dimensional electron systems embedded in GaAs/AlGaAs quantum wells

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	12 December 2012
Referee:	Prof. Dr. Christian Schüller
Date of exam:	22 November 2012
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Lupton > Group Christian Schüller
Keywords:	Spin dynamics, spin dephasing anisotropy, coherent spin dynamics, cyclotron effect on coherent spin precession, high-mobility two-dimensional electrons systems, time-resolved Kerr rotation, time-resolved Faraday rotation, resonant spin amplification, spin-orbit interaction, Rashba, Dresselhaus, III-V semiconductor, GaAs/AlGaAs quantum wells, spin relaxation, optical gating, dynamical nuclear polarization
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	27096

Abstract (English)

Since many years there has been great effort to explore the spin dynamics in low-dimensional electron systems embedded in GaAs/AlGaAs based heterostructures for the purpose of quantum computation and spintronics applications. Advances in technology allow for the design of high quality and well-defined two-dimensional electron systems (2DES), which are perfectly suited for the study of the ...

Abstract (English)

Since many years there has been great effort to explore the spin dynamics in low-dimensional electron systems embedded in GaAs/AlGaAs based heterostructures for the purpose of quantum computation and spintronics applications. Advances in technology allow for the design of high quality and well-defined two-dimensional electron systems (2DES), which are perfectly suited for the study of the underlying physics that govern the dynamics of the electron spin system.
In this work, spin dynamics in high-mobility 2DES is studied by means of the all-optical time-resolved Kerr / Faraday rotation technique. In (001)-grown 2DES, a strong in-plane spin dephasing anisotropy is studied, resulting from the interference of comparable Rashba and Dresselhaus contributions to the spin-orbit field (SOF). The dependence of this anisotropy on parameters like the confinement length of the 2DES, the sample temperature, as well as the electron density is demonstrated. Furthermore, coherent spin dynamics of an ensemble of ballistically moving electrons is studied without and within an applied weak magnetic field perpendicular to the sample plane, which forces the electrons to move on cyclotron orbits. Finally, strongly anisotropic spin dynamics is investigated in symmetric (110)-grown 2DES, using the resonant spin amplification method. Here, extremely long out-of-plane spin dephasing times can be achieved, in consequence of the special symmetry of the Dresselhaus SOF.

Translation of the abstract (German)

Seit vielen Jahren werden unter der Zielsetzung das Quantencomputing oder spintronische Anwendungen zu realisieren große Anstrengungen unternommen, die Spindynamik in niederdimensionalen Elektronensystemen zu untersuchen, die in GaAs/AlGaAs basierte Heterostrukturen eingebettet sind. Technologische Fortschritte erlauben heutzutage dieHerstellung von hochwertigen und wohldefinierten ...

Translation of the abstract (German)

Seit vielen Jahren werden unter der Zielsetzung das Quantencomputing oder spintronische Anwendungen zu realisieren große Anstrengungen unternommen, die Spindynamik in niederdimensionalen Elektronensystemen zu untersuchen, die in GaAs/AlGaAs basierte Heterostrukturen eingebettet sind. Technologische Fortschritte erlauben heutzutage dieHerstellung von hochwertigen und wohldefinierten zweidimensionalen Elektronensystemen (2DES), die perfekt für die Erforschung der zugrunde liegenden Physik geeignet sind, die die Dynamik des Elektronenspinsystems bestimmt.
In dieser Arbeit wird die Spindynamik in hochbeweglichen 2DES mittels der rein optischen Messmethode der zeitaufgelösten Kerr/Faraday Rotation untersucht. Eine starke Spindephasierungsanisotropie (SDA) in der Ebene des 2DES wird in Proben untersucht, die entlang der kristallographischen [001] Richtung gewachsenen wurden. Die Ursache der SDA wird diskutiert, die in der Interferenz vergleichbarer Rashba und Dresselhaus Beiträge zum Spin-Bahn-Feld liegt, ebenso wie die Abhängigkeit der SDA von Parametern wie der Einschlusslänge des 2DES, der Probentemperatur oder der Elektronendichte. Des Weiteren wird die kohärente Spindynamik eines Ensembles sich ballistisch bewegender Elektronen untersucht. Im Besonderen wird hier der Einfluss eines schwachen Magnetfeldes senkrecht zur Probenebene diskutiert, das die Elektronen auf Zyklotron-Bahnen zwingt. Abschließend wird mittels der Messmethode der resonanten Spinverstärkung die stark anisotrope Spindynamik in symmetrischen (110)-gewachsenen 2DES untersucht. Es wird gezeigt, dass in solchen Systemen in Folge der besonderen Symmetrie des Dresselhaus Spin-Bahn-Feldes extrem lange Spin-Lebensdauern beobachtet werden können.

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