Theory of spin relaxation in laterally coupled quantum dots

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Series of the University of Regensburg:	Dissertationsreihe der Fakultät für Physik der Universität Regensburg
Volume:	35
Date:	13 September 2013
Referee:	Prof. Dr. Jaroslav Fabian and Prof. Dr. John Schliemann
Date of exam:	23 July 2013
Institutions:	Physics > Institute of Theroretical Physics > Chair Professor Richter > Group Jaroslav Fabian
Keywords:	quantum dots, spin relaxation, gaas, silicon
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:	28632

Abstract (English)

This work gives a comprehensive quantitative analysis of the relaxation of electron spins confined in top-gated, laterally coupled semiconductor quantum dots. We choose the two most prominent host materials for the dot implementation, gallium arsenide and silicon, and compare the characteristics of both semiconductors to each other. The quantum dot that we consider is loaded with either a single ...

Abstract (English)

This work gives a comprehensive quantitative analysis of the relaxation of electron spins confined in top-gated, laterally coupled semiconductor quantum dots. We choose the two most prominent host materials for the dot implementation, gallium arsenide and silicon, and compare the characteristics of both semiconductors to each other. The quantum dot that we consider is loaded with either a single electron or with two electrons, which form singlet and triplet states. Highly accurate numerics supported by analytical approximations are presented and discussed for a wide range of system parameters, such as the external magnetic field, the interdot coupling strength, and the in-plane electric field (detuning). For the spin relaxation mechanism, we use the model of phonon-mediated transitions induced by spin-orbit or hyperfine coupling.

Our results show highly anisotropic relaxation rates with respect to the in-plane magnetic field orientation. For certain directions, the relaxation rates are quenched by orders of magnitude. This is most pronounced at spectral crossings, the so-called spin hot spots. We investigate the angular dependence of this anisotropy, and discuss a switch in the direction of which the minimal rate occurs, dependent on the detuning. The anisotropy of the rates originates from the spin-orbit interactions, indicating a negligible contribution from the nuclei. An exception is found for the spin relaxation of the unpolarized tripled in a GaAs-based, weakly coupled double quantum dot. Here the rate is dominated by the nuclear spins, which results in an isotropic regime in the elsewhere anisotropic relaxation map. Based on this observation, we propose a device that allows for the measurement of the electron-spin polarization of a current through the dot.

Translation of the abstract (German)

Die vorliegende Dissertation behandelt in umfassender Weise die Spinrelaxation von lokalisierten Elektronen lateral gekoppelter Halbleiterquantenpukte. Für die quantitativen Aussagen werden die beiden wichtigsten Materialien der Quantenpunktforschung, Galliumarsenid und Silizium, herangezogen und verglichen. Es werden sowohl der Spin eines einzelnen Elektrons als auch die Singulett- und ...

Translation of the abstract (German)

Die vorliegende Dissertation behandelt in umfassender Weise die Spinrelaxation von lokalisierten Elektronen lateral gekoppelter Halbleiterquantenpukte. Für die quantitativen Aussagen werden die beiden wichtigsten Materialien der Quantenpunktforschung, Galliumarsenid und Silizium, herangezogen und verglichen. Es werden sowohl der Spin eines einzelnen Elektrons als auch die Singulett- und Triplettzustände von zwei Elektronen im Doppelquantenpunkt untersucht. Die Ergebnisse der Arbeit basieren auf höchst präzisen, numerischen Simulationen, die durch analytische Rechnungen unterstützt werden. Dabei werden die Systeme in Hinblick auf die bedeutendsten Kontrollparameter wie dem externen Magnetfeld, der Kopplungsstärke des Doppelquantenpunkts oder dem externen elektischen Feld ausgewertet. Für das Modell der Spinrelaxation wird ein Energieübergang auf Grund der Emission eines Phonons angenommen, welcher durch den Einfluss von Spin-Bahn-Wechselwirkung oder Hyperfeinwechselwirkung ermöglicht wird.

Der Fokus der Arbeit liegt auf der Anisotropie der Relaxationsraten. Für bestimmte Ausrichtungen des Magnetfeldes können sich die Raten bei sonst gleichen Voraussetzungen um mehrere Größenordnungen unterscheiden. Besonders deutlich ist dieser Effekt an Kreuzungspunkten im Energiespektrum, den sogenannten „Spin Hot Spots“. Bemerkenswert ist, dass die Hauptachsen der Anisotropie, für die die Raten maximal bzw. minimal werden, durch ein externes elektrisches Feld vertauscht werden können. Der Ursprung der Anisotropie liegt in der Spin-Bahn-Wechselwirkung der Elektronen im Halbleiter. Dies zeigt auch, dass die Hyperfeinwechselwirkung für die Spinrelaxationsraten vernachlässigbar ist. Eine Ausnahme bildet der Zustand des unpolarisierten Tripletts im schwach gekoppelten GaAs-Quantenpunkt. Hier nimmt die Hyperfeinwechselwirkung eine dominante Rolle ein, wodurch die Rate isotrop ist. Auf der Grundlage der Ergebnisse der Dissertation ist ein Aufbau für die Messung der Spinpolarisation eines Stroms, der durch einen Quantenpunkt geleitet wird, vorgeschlagen und diskutiert.

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