Two-dimensional hole systems in indium-based quantum well heterostructures

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Abstract (English)

The complex spin-orbit interaction (SOI) of two-dimensional hole gas (2DHG) systems - the relativistic coupling of the hole spin degree of freedom to their movement in an electric field - is of fundamental interest in spin physics due to its key role for spin manipulation in spintronic devices. In this work, we were able to evaluate the tunability of Rashba-SOI-related parameters in the 2DHG ...

Abstract (English)

The complex spin-orbit interaction (SOI) of two-dimensional hole gas (2DHG) systems - the relativistic coupling of the hole spin degree of freedom to their movement in an electric field - is of fundamental interest in spin physics due to its key role for spin manipulation in spintronic devices. In this work, we were able to evaluate the tunability of Rashba-SOI-related parameters in the 2DHG system of In0.75Al0.25As/In0.75Ga0.25As/InAs:Mn quantum well heterostructures experimentally by analyzing the hole density evolution of quantum interference effects at low magnetic fields. We achieved to cover a significant range of hole densities by the joint action of the variation of the manganese modulation doping concentration during molecular beam epitaxy and external field-effect-mediated manipulation of the 2D carrier density in Hall bar devices by a metallic topgate.

Within these magnetotransport experiments, a reproducible phenomenon of remarkable robustness emerged in the transverse Hall magnetoresistivity of the indium 2DHG systems which are grown on a special InxAl1-xAs step-graded metamorphic buffer layer structure to compensate crystal lattice mismatch. As a consequence of the strain relaxation process, these material systems are characterized by anisotropic properties along different crystallographic directions. We identify a puzzling offset phenomenon in the zero-field Hall magnetoresistance and demonstrate it to be a universal effect in systems with spatially anisotropic transport properties.

Translation of the abstract (German)

In der Spinphysik spielt die komplexe Spin-Bahn-Wechselwirkung (WW) zweidimensionaler Lochgassysteme - die relativistische Kopplung des Spin-Freiheitsgrades von Löchern an ihre Bewegung in einem elektrischen Feld – eine fundamentale Schlüsselrolle für die Spin-Manipulation in spintronischen Bauteilen. In dieser Arbeit analysieren wir die Steuerbarkeit von Parametern der Rashba Spin-Bahn-WW in 2D ...

Translation of the abstract (German)

In der Spinphysik spielt die komplexe Spin-Bahn-Wechselwirkung (WW) zweidimensionaler Lochgassysteme - die relativistische Kopplung des Spin-Freiheitsgrades von Löchern an ihre Bewegung in einem elektrischen Feld – eine fundamentale Schlüsselrolle für die Spin-Manipulation in spintronischen Bauteilen. In dieser Arbeit analysieren wir die Steuerbarkeit von Parametern der Rashba Spin-Bahn-WW in 2D Lochgassystemen von In0.75Al0.25As/In0.75Ga0.25As/InAs:Mn-Quantentrog-Heterostrukturen. Experimentell gelang dies, indem wir die Entwicklung von Quanten-Interferenzeffekten bei niedrigen Magnetfeldern in Abhängigkeit von der Löcherdichte untersuchten. Wir erreichten einen signifikanten Lochdichte-Bereich durch die Variation der Mangan-Modulationsdotierung während der Molekularstrahlepitaxie und durch die zusätzliche externe Manipulation der 2D Ladungsträgerdichte in Hall-Bar-Strukturen mit metallischen Topgates über den Feldeffekt.

Im Zuge dieser Magnetotransport-Experimente offenbarte sich ein erstaunlich robustes Phänomen im transversalen Hall-Magnetowiderstand der Indium-basierten 2D Lochsysteme. Ihre Epitaxie wird auf speziellen metamorph gestuften InxAl1-xAs Puffer-Schichtstrukturen realisiert, um die Fehlanpassung des Kristallgitters zu kompensieren. Als Folge dieses Verfahrens der Verspannungsrelaxation zeigen diese Materialien anisotrope Eigenschaften entlang verschiedener kristallographischer Richtungen. Auf diesem Hintergrund, sind wir in der Lage einen rätselhaften Offset-Effekt im Nullfeld Hall-Magnetowiderstand als ein universelles Phänomen in Systemen räumlich anisotroper Transporteigenschaften zu identifizieren.