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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-279536
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.27953
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) | ||||||||
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| Date: | 21 March 2013 | ||||||||
| Referee: | Prof. Dr. Christian Schüller and Prof. Dr. Sergey Ganichev | ||||||||
| Date of exam: | 18 March 2013 | ||||||||
| Institutions: | Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Lupton > Group Christian Schüller | ||||||||
| Interdisciplinary Subject Network: | Not selected | ||||||||
| Classification: |
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| Keywords: | Spin dynamics, hole spin dephasing, two-dimensional hole 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, hole g factor, initialization mechanisms | ||||||||
| 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: | 27953 |
Abstract (German)
In dieser Arbeit wurde die Spindynamik der Löcher in p-dotierten GaAs/AlGaAs- Quantentrögen (QT) bei tiefen Temperaturen untersucht. Zur Bestimmung der energetischen Struktur der Proben wurde PL- und PLE-Spektroskopie genutzt. Zur Untersuchung der Spindynamik kam zeitaufgelöste Kerr- und Faraday-Rotation (TRKR/FR) bzw. ‚Resonant Spin Amplification' (RSA) zum Einsatz. In einem ersten Teil der ...
Abstract (German)
In dieser Arbeit wurde die Spindynamik der Löcher in p-dotierten GaAs/AlGaAs- Quantentrögen (QT) bei tiefen Temperaturen untersucht. Zur Bestimmung der energetischen Struktur der Proben wurde PL- und PLE-Spektroskopie genutzt. Zur Untersuchung der Spindynamik kam zeitaufgelöste Kerr- und Faraday-Rotation (TRKR/FR) bzw. ‚Resonant Spin Amplification' (RSA) zum Einsatz.
In einem ersten Teil der Arbeit wurde die Signalentstehung bei TRKR/FR- und RSA-Experimenten anhand der zugrundeliegenden Ladungsträger- und Spindynamik diskutiert, um zu einer sicheren Deutung der beobachteten Phänomene zu gelangen. Es wurde ein von der Anregungsenergie abhängiger Vorzeichenwechsel der Kerr-Signalamplitude beobachtet, der Umschlagspunkt korrespondierte dabei mit dem Absorptionsmaximum in PLE. Dieses Verhalten konnte durch eine besetzungsabhängige Aufspaltung der Spinniveaus erklärt werden, welche eine Energieabhängigkeit des Faraday- bzw. Kerr-Signals verursachen.
Des Weiteren wurden zwei Initialisierungsprozesse untersucht, die für eine Übertragung der optisch erzeugten Spininformation ins residente Lochspinsystem genutzt werden konnten. Dies gelang wahlweise durch ein angelegtes Magnetfeld oder durch schnelle Dephasierung der Lochspins unmittelbar nach der Anregung. Mit variierter Anregungsdichte, Anregungsenergie oder Temperatur konnte so über schnelle Dephasierungsprozesse das anfängliche Verhältnis von Elektronen- und Lochspins beeinflusst werden.
Die komplexe, voneinander abhängige Elektronen- und Lochspindynamik konnte mit Hilfe eines Ratengleichungsmodells rechnerisch exakt nachvollzogen werden. Dies erlaubte die Extraktion physikalisch relevanter Parameter wie Lebensdauern und g-Faktoren aus RSA und TRKR/FR-Daten. Ein analytisches Modell, das an der Universität Breslau entworfen wurde, erbrachte übereinstimmende Ergebnisse.
Im zweiten experimentellen Teil wurde die Abhängigkeit der Lochspinlebensdauer und des g-Faktors von verschiedenen Parametern untersucht. In dieser Arbeit konnte die RSA-Methode erstmals auf zweidimensionale Lochsysteme übertragen werden, was völlig neue Zugänge zur Dynamik im Bereich langer Lebensdauern eröffnet. Im schmalsten QT mit 4 nm Breite zeigten sich bei tiefen Temperaturen Lebensdauern um 100 ns, da der Lochspin dort durch die große HH-LH-Aufspaltung gegen Dephasierung über Spin-Flip-Streuung ins LH-Band geschützt wird. Dies entspricht einer Steigerung um zwei Größenordnungen im Vergleich zu den bisher beobachteten Lebensdauern. Die tiefen Temperaturen sind dabei notwendig, da so Lokalisierung an QT-Breitenfluktuationen die k-abhängigen Dephasierungsmechanismen unterdrückt. Temperaturabhängige Messungen ergaben eine Aktivierungsenergie von 1,4 meV im 4 nm QT in guter Übereinstimmung mit theoretischen Überlegungen.
Erhöhte Dephasierungsraten bei Variation der Anregungsdichte- oder Energie konnten durch eine erhöhte effektive Temperatur im Lochsystem erklärt werden.
Mit Hilfe der hier etablierten RSA-Methode konnte der Loch-g-Faktor abhängig von verschiedenen Parametern exakt bestimmt werden. Für die in-plane Komponente der [001]-gewachsenen Proben ergab sich dabei im Rahmen der Messgenauigkeit keine Abhängigkeit von der QT-Breite oder in-plane-Magnetfeldrichtung. Die Temperatur hatte dagegen deutlichen Einfluss auf den g-Faktor. Der größere out-of-plane Loch-g-Faktor konnte aus Serien mit gegen die Probenebene verkipptem Magnetfeld exakt bestimmt werden.
Durch ein elektrostatisches Gate konnte schließlich in einem 4 nm breiten QT der in-plane Loch-g-Faktor um einen Faktor von nahezu Zwei manipuliert und die g-Faktor-Inhomogenität um eine Größenordnung verringert werden. Dadurch ergaben sich deutlich verlängerte Lochspinlebensdauern im Magnetfeld aufgrund der unterdrückten Ensembledephasierung.
Translation of the abstract (English)
This work investigates the spin dynamics of holes in p-doped GaAs/AlGaAs quantum wells (QW) at low temperatures. To examine the energetic structure of the used samples, PL and PLE-spectroscopy were employed. Time resolved Kerr and Faraday-Rotation (TRKR/FR) and ‘Resonant Spin Amplification' (RSA) were used to analyse the spin dynamics. First, the signal formation in TRKR/FR and RSA experiments is ...
Translation of the abstract (English)
This work investigates the spin dynamics of holes in p-doped GaAs/AlGaAs quantum wells (QW) at low temperatures. To examine the energetic structure of the used samples, PL and PLE-spectroscopy were employed. Time resolved Kerr and Faraday-Rotation (TRKR/FR) and ‘Resonant Spin Amplification' (RSA) were used to analyse the spin dynamics.
First, the signal formation in TRKR/FR and RSA experiments is discussed taking into account the interconnected charge carrier dynamics and spin dynamics of electrons and holes. An excitation energy dependendent sign change of the Kerr signal amplitude could be observed, whose energetic position corresponds to an absorption maximum in PLE experiments. This behavior could be explained by an energy dependent splitting of the spin niveaus, which leads to an energy dependence of the Faraday and Kerr signal.
Furthermore, two initialization processes were investigated, which could be used to transfer optically generated spin information into the resident hole spin system. This could be achieved by either applying a magnetic field, or by rapid dephasing of hole spins immediately after excitation. Changes in excitation energy, excitation density or temperature could be used to influence the fast dephasing processes and therefore the initial ratio of hole to electron spins.
The complex, interconnected charge carrier and spin dynamics of electrons and holes could be accurately reproduced using a rate equation model. This allowed for the extraction of physically relevant parameters like spin lifetimes and g-factors from RSA and TRKR/FR data. An analytical model that was developed at the Wroclaw University of Technology delivered matching results.
In the second part of the experimental work, the dependence of the hole spin lifetime and the hole g-factor on various parameters was analysed. Here, the RSA method could for the first time be applied to two-dimensional hole systems, allowing for new insights into the regime of long lived hole spin dynamics in these QWs. In the most narrow QW with a width of 4 nm, hole spin lifetimes around 100 ns have been observed at low temperatures. This amounts to a lifetime increase of two orders of magnitude compared to previously reported values. The hole spins there become protected against spin flip scattering to the light hole band due to the increased heavy hole-light hole-splitting. The low temperatures are necessary to ensure localization of the holes in QW width fluctuations, hence k-dependent dephasing mechanisms are suppressed. Temperature dependent measurements give an activation energy of 1.4 meV in the 4 nm QW, in good agreement with theoretical considerations for the localization potential depth.
Using the previously established RSA method, the hole g factor could be extracted very precisely. For the in-plane component in [001]-grown QWs, no dependence on QW width or in-plane crystal axis was observed, while the g factor changed significantly with temperature. The larger out-of-plane g factor component could be determined from measurements with magnetic fields tilted against the QW plane with great accuracy.
Finally, the g-factor could be changed by nearly a factor of two via an electrostatic gate, while suppressing the g-factor inhomogeneity by an order of magniude. This leads to enhanced hole spin lifetimes due to a suppression of ensemble dephasing.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 02:57
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