Orts- und zeitaufgelöste Kerr-Spektroskopie der Spindiffusion in hochbeweglichen zweidimensionalen Elektronengasen

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	19 April 2018
Referee:	Prof. Dr. Christian Schüller
Date of exam:	11 April 2018
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Lupton > Group Christian Schüller
Keywords:	Kerr-Spektroskopie, Kerr, MOKE, Elektronenspin, Elektronengas, GaAs, Quantentrog, Quantenwell, Spindiffusion, Diffusion, Spin, Spin dynamics, spin dephasing, coherent spin dynamics, persistent spin helix, spin helix, Spin-Helix, high-mobility two-dimensional electrons systems, time-resolved Kerr rotation, spin-orbit interaction, Rashba, Dresselhaus, III-V semiconductor, quantum wells, spin relaxation
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 500 Natural sciences & mathematics 500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	37114

Abstract (German)

Die Erforschung und das Verständnis der Spindynamik sowie des Spin-Transports in niederdimensionalen Elektronensystemen bilden die Grundlage zur Realisierung spintronischer Halbleiter-Bauelemente. Mit der Entdeckung der persistenten Spin-Helix (PSH) wurde ein sehr vielversprechender Ansatz zur Verwirklichung eines Spin-Feldeffekt-Transistors gelegt, der auch in einem diffusiven Transport-Regime ...

Abstract (German)

Die Erforschung und das Verständnis der Spindynamik sowie des Spin-Transports in niederdimensionalen Elektronensystemen bilden die Grundlage zur Realisierung spintronischer Halbleiter-Bauelemente. Mit der Entdeckung der persistenten Spin-Helix (PSH) wurde ein sehr vielversprechender Ansatz zur Verwirklichung eines Spin-Feldeffekt-Transistors gelegt, der auch in einem diffusiven Transport-Regime funktionieren kann.

Unter Ausnutzung des magnetooptischen Kerr-Effekts (MOKE) wird in dieser Arbeit die Spindiffusion in hochbeweglichen zweidimensionalen Elektronensystemen (2DES) untersucht. Mit dem eigens hierfür konstruierten MOKE-Mikroskop-System, welches sich durch eine synchrone Orts- und Zeitauflösung auszeichnet, gelang die direkte Abbildung des Spindiffusionsprozesses innerhalb zweier spezieller GaAs/AlGaAs-Heterostrukur-Probensystemen. Diese wurden unter dem Gesichtspunkt eines nominell SU(2) symmetrischen Spin-Bahn-Feldes konstruiert.

Der experimentelle Teil dieser Arbeit untergliedert sich in zwei Teilbereiche:

In speziellen GaAs/AlGaAs-Probensystemen, die in die kristallographische [110]-Richtung gewachsen wurden, konnten aufgrund der langen Spinlebensdauern weitreichende Erkenntnisse in Bezug auf Spindiffusions- und Spindriftgeschwindigkeit gewonnen werden. Darüber hinaus konnte unter Zuhilfenahme eines externen Magnetfeldes, welches in der Ebene des 2DES angelegt wurde, der Rashba-Koeffizient der Spin-Bahn-Wechselwirkung bestimmt werden.

Im zweiten experimentellen Abschnitt der Arbeit konnte hingegen die direkte Abbildung des Musters der PSH in einem in [001]-Richtung gewachsenen GaAs/AlGaAs-Probensystem erreicht werden, in dem ein ausgeglichenes Verhältnis von Rashba- und Dresselhausfeld vorliegt. Durch den Einschluss der injizierten Spinpolarisation in Mikrostrukturen konnte eine deutliche Verlängerung der effektiven Spin-Helix-Lebensdauer erzielt werden. Dies wurde ausgenutzt um mittels des PSH-Regimes eine Spinpolarisation deterministisch an bestimmte Punkte innerhalb einer L-förmigen Mikrostruktur zu transportieren.

Translation of the abstract (English)

The investigation and understanding of both spin dynamics and spin transport in low-dimensional electron systems form the basis for the realization of spintronic semiconductor devices. With the discovery of the persistent spin helix (PSH), a very promising approach has been suggested for a spin field effect transistor which can also function in a diffusive transport regime. Taking advantage of ...

Translation of the abstract (English)

The investigation and understanding of both spin dynamics and spin transport in low-dimensional electron systems form the basis for the realization of spintronic semiconductor devices. With the discovery of the persistent spin helix (PSH), a very promising approach has been suggested for a spin field effect transistor which can also function in a diffusive transport regime.

Taking advantage of the magneto-optic Kerr effect (MOKE), in this work the spin diffusion in high-mobility two-dimensional electron systems (2DES) is studied. With a specially designed MOKE microscope system, which is characterized by a synchronous spatial and temporal resolution, a direct imaging of the spin diffusion process was achieved within two special GaAs / AlGaAs heterostructure sample systems. These were constructed from the standpoint of a nominal SU (2) symmetric spin-orbit field.

The experimental part of this work is divided into two parts:
In special sample systems, which were grown in the crystallographic [110] direction, it was possible to gain far-reaching insights into spin diffusion and spin drift velocity due to their long out-of-plane spin lifetimes. In addition, the Rashba coefficient of the spin-orbit interaction could be determined with the aid of an external magnetic field applied in the plane of the 2DES.

In the second experimental section of this work, direct imaging of the pattern of the persistent spin helix in a [001] -grown sample system, in which a balanced ratio of Rashba and Dresselhaus field exists, has been achieved. By confinement of the injected spin polarization in microstructures, a significant increase of the effective PSH lifetime has been achieved. This was harnessed to deterministically transport a spin polarization to specific points within an L-shaped microstructure, employing the PSH regime.

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