Magneto-Raman spectroscopy in the regime of the persistent spin helix

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	17 February 2021
Referee:	Prof. Dr. Christian Schüller
Date of exam:	28 January 2021
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Lupton > Group Christian Schüller
Keywords:	persistent spin helix, raman scattering, inelastic light scattering, electronic Raman scattering, GaAs, quantum well, spin, high-mobility two-dimensional electron system, spin-orbit interaction, Rashba, Dresselhaus, III-V semiconductor, spin-density excitation, spin plasmon, spintronics
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:	44859

Abstract (English)

In this thesis, spin density excitations in 2-dimensional electron gases (2DEG) in gallium arsenide-based quantum well samples have been studied by utilizing resonant inelastic light scattering experiments (RILS). Due to an interplay of spin-orbit coupling effects, caused by the crystal symmetry and modulation doping, a highly symmetric, effective spin-orbit field is created in the 2DEG plane. ...

Abstract (English)

In this thesis, spin density excitations in 2-dimensional electron gases (2DEG) in gallium arsenide-based quantum well samples have been studied by utilizing resonant inelastic light scattering experiments (RILS).
Due to an interplay of spin-orbit coupling effects, caused by the crystal symmetry and modulation doping, a highly symmetric, effective spin-orbit field is created in the 2DEG plane. Depending on the direction of their movement, the electron spins precess in a helix-like pattern, which is often referred to as the persistent spin helix (PSH). This unique symmetry leads to a theoretically infinite spin lifetime inside such structures, making them a potential platform for a new generation of spin transistors.

In presence of the PSH regime, the huge spin splitting anisotropy at the Fermi energy is investigated in dependence of the in-plane crystal direction. Via external magnetic fields, a direct quantitative determination of important spin-orbit field parameters, including the intrinsic effective spin-orbit field strength and the effective electron |g| factor, is achieved.
The interpretation of the obtained spectra from the RILS experiments is supported by a numerical line-shape analysis, which precisely confirms the determined sample parameters.

Translation of the abstract (German)

In dieser Arbeit wurden mittels resonanter inelastischer Lichtstreuung (RILS) Spindichteanregungen in 2-dimensionalen Elektronengasen (2DEG) in Quantentrögen auf Galliumarsenidbasis untersucht. Durch ein Zusammenspiel von Spin-Bahn-Kopplungseffekten, hervorgerufen durch die Kristallsymmetrie sowie durch Modulationsdotierung, entsteht im 2DEG ein hochsymmetrisches effektives Magnetfeld, welches ...

Translation of the abstract (German)

In dieser Arbeit wurden mittels resonanter inelastischer Lichtstreuung (RILS) Spindichteanregungen in 2-dimensionalen Elektronengasen (2DEG) in Quantentrögen auf Galliumarsenidbasis untersucht.
Durch ein Zusammenspiel von Spin-Bahn-Kopplungseffekten, hervorgerufen durch die Kristallsymmetrie sowie durch Modulationsdotierung, entsteht im 2DEG ein hochsymmetrisches effektives Magnetfeld, welches die Spins der darin bewegten Elektronen in einer helixartigen Struktur präzedieren lässt - der sogenannten persistenten Spin-Helix. Aufgrund dieser speziellen Symmetrie kann theoretisch eine unendliche Spinlebensdauer erreicht werden, welches die Grundlage einer neuen Generation von Spintransistoren schafft.

Die RILS-Messungen erlauben die Beobachtung der anisotropen Spinaufspaltung an der Fermi-Energie, abhängig von der Kristallrichtung in der Ebene des 2DEGs. Mittels externer magnetischer Felder können wichtige Spin-Bahn-Parameter der untersuchten Proben direkt bestimmt werden, darunter die intrinsische effektive Spin-Bahn-Feldstärke und der effektive Elektron-|g|-Faktor.
Zur Interpretation der gemessenen Spektren wurde ein Python-Linienformanalyseprogramm implementiert, mit welchem die Spin-Bahn-Parameter sehr präzise untermauert werden können.

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