Inelastic light scattering in the regime of the persistent spin helix

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	20 January 2016
Referee:	Prof. Dr. Christian Schüller
Date of exam:	2 December 2015
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Lupton > Group Christian Schüller
Keywords:	peristent spin helix; spintronics; inelastic light scattering; raman scattering
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:	33140

Abstract (English)

Spintronics is one of the most promising research fields as it aims to revolutionize conventional information technology. The utilization of an electron’s spin instead of its charge opens new pathways for novel electronic devices and applications based on the spin degree of freedom in semiconductor nanostructures. Essential criteria for the functionality of these modern devices are an accurate ...

Abstract (English)

Spintronics is one of the most promising research fields as it aims to revolutionize conventional information technology. The utilization of an electron’s spin instead of its charge opens new pathways for novel electronic devices and applications based on the spin degree of freedom in semiconductor nanostructures. Essential criteria for the functionality of these modern devices are an accurate control as well as a defined manipulation of spin precession. Any uncontrolled spin dephasing due to spin-orbit interaction, however, bears inevitable disturbances and finally results in a loss of information. This issue may be bypassed by the special situation of a unidirectional spin-orbit field, giving rise to a so called persistent spin helix. As a consequence, the lifetime of the spin polarization is enhanced and a maximum anisotropy in the spin splitting of the conduction band emerges.
This work is a contribution to the current research concerning experimental verification and fundamental characterization of the persistent spin helix state in two-dimensional electron systems. As a powerful tool to investigate the band structure, inelastic light scattering is employed to verify the persistent spin helix state for the first time by means of its distinct anisotropy in the spin splitting. Indeed, a unidirectional spin-orbit field may be realized in different configurations, leading to different manifestations of the persistent spin helix state. A special focus herein lies on the clarification of origins and ramifications, whereby various GaAs quantum wells with particulargrowth parameters are examined.

Translation of the abstract (German)

Die Spintronik gilt als eine der vielversprechendsten Forschungsgebiete, da sie das Potential hat, die herkömmliche Informationstechnologie zu revolutionieren. Durch die Verwendung des Elektronen-Spins anstatt dessen Ladung eröffnen sich neue Möglichkeiten um elektronische Geräte fortan Spin-basiert zu entwickeln. Ein ausschlaggebendes Kriterium für die Funktionalität dieser Anwendungen ist die ...

Translation of the abstract (German)

Die Spintronik gilt als eine der vielversprechendsten Forschungsgebiete, da sie das Potential hat, die herkömmliche Informationstechnologie zu revolutionieren. Durch die Verwendung des Elektronen-Spins anstatt dessen Ladung eröffnen sich neue Möglichkeiten um elektronische Geräte fortan Spin-basiert zu entwickeln. Ein ausschlaggebendes Kriterium für die Funktionalität dieser Anwendungen ist die gezielte Manipulation der Spinpräzession. Diese definierte Präzession kann jedoch durch die Spin-Orbit Kopplung entscheidend gestört werden, was zu einem Informationsverlust führen würde. Eine Möglichkeit diese Störung zu umgehen liegt in der Realisierung eines unidirektionalen Spin-Orbit Feldes, was zur sogenannten Persistenten Spin Helix führt. Eine direkte Folge dieser speziellen Symmetrie ist eine signifikante Steigerung der Lebenszeit der Spin-Polarisation sowie eine maximale Anisotropie in der Spin-Aufspaltung des Leitungsbandes.
Diese Dissertation liefert einen weiteren Beitrag zu den aktuellen Forschungsentwicklungen bezüglich Nachweismöglichkeiten und Charakterisierung der Persistenten Spin Helix in zweidimensionalen Elektronengasen. Im Zuge der Arbeit wird mittels Raman-Streuung dieses interessante Phänomen zum ersten Mal anhand der eindeutigen Spin-Aufspaltung im Leitungsband nachgewiesen. Das zugrunde liegende unidirektionale Spin-Orbit Feld kann darüber hinaus durch zwei verschiedene Konfigurationen realisiert sein. Ein Hauptaugenmerkt dieser Arbeit liegt demnach auf der Beleuchtung der Ursachen sowie der Auswirkungen, wobei GaAs Quanten Wells mit verschiedenen Wachstumsparametern untersucht werden.

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