| Autor(en): |
Odilon Divino Damasceno Couto Junior |
Titel: |
Acoustically induced spin transport in (110) GaAs quantum wells |
| Gutachter: |
K. H. Ploog; O. Benson; F. Iikawa |
| Erscheinungsdatum: |
27.11.2008 |
| Volltext: |
pdf
(urn:nbn:de:kobv:11-10094075)
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| Fachgebiet(e): |
Physik |
| Schlagwörter (ger): |
Halbleiter, Elektronenspinrelaxation, (110) Quantenfilmen, akustischer Oberflächenwellen |
| Schlagwörter (eng): |
semiconductor, spin transport, (110) GaAs quantum wells, surface acoustic waves |
| Einrichtung: |
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I |
| Zitationshinweis: |
Divino Damasceno Couto Junior, Odilon:
Acoustically induced spin transport in (110) GaAs quantum wells;
Dissertation,
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 27.11.2008, urn:nbn:de:kobv:11-10094075
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| Abstract (ger): |
| Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen der Transport und die
Manipulation optisch angeregter Elektronen-Spins in (110)
Quantenfilmen (quantum wells, QWs) mittels akustischer
Oberflächenwellen (surface acoustic waves, SAWs). Der starke
räumliche Einschluss der Ladungsträger im akustisch erzeugten
Potenzial erlaubt spinerhaltenden Ladungsträgertransport mit der
akustischen Geschwindigkeit. Auf diese Weise wird langreichweitiger
Spintransport über Distanzen > 60 microns demonstriert, welche
Spinlebenszeiten von mehr als 20 ns entsprechen. Erreicht werden
diese extrem langen Spinlebenszeiten durch drei Effekte: (i)
Der D''yakonov-Perel''-Mechanismus ist für Spins in Wachstumsrichtung
von (110)-QWs in III-V-Halbleitern unterdrückt. (ii) Aufgrund
des Typ-II piezoelektrischen Potenzials der akustischen
Oberflächenwelle ist der Bir-Aronov-Pikus
Spinrelaxations-Mechanismus sehr schwach. (iii) Der starke
Einschluss der Ladungsträger in mesoskopische Bereiche stabilisiert
den Spin zusätzlich.
In der vorliegenden Arbeit wird erstmals eine Anisotropie des
Spintransports in einem externen Magnetfeld (Bext) nachgewiesen.
Hierzu wurde die elektronische Spindynamik während des akustischen
Transports entlang der [001]- bzw. [1-10]-Richtung untersucht.
Während des Transports entlang der [001]-Richtung führt die
Präzession der Elektronenspins um das fluktuierende interne
Magnetfeld (Bint), das vom Fehlen eines Inversionszentrums im
GaAs-Kristallgitter herrührt, zu Spinkohärenzzeiten von etwa 2 ns.
Im Gegensatz hierzu ist beim Transport entlang der
[1-10]-Richtung die Spinrelaxation für Spins in
Wachstumsrichtung um eine Größenordnung langsamer. Grund hierfür ist
die endliche mittlere Größe des internen effektiven Magnetfeldes
Bint für Transport entlang dieser Richtung. Die beobachtete
Anisotropie in der Spindynamik für die beiden Transportrichtungen
wird vollständig im Rahmen der Spin-Bahn-Kopplung und des
D''yakonov-Perel''-Mechanismus beschrieben
und quantitativ erklärt.
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| Abstract (eng): |
| In this work, we employ surface acoustic waves (SAWs) to transport
and manipulate optically generated spin ensembles in (110) GaAs
quantum wells (QWs). The strong carrier confinement into the SAW
piezoelectric potential allows for the transport of spin-polarized
carrier packets along well-defined channels with the propagation
velocity of the acoustic wave. In this way, spin transport over
distances exceeding 60 microns is achieved, corresponding to spin
lifetimes longer than 20 ns. The demonstration of such extremely
long spin lifetimes is enabled by three main factors: (i)
Suppression of the D''yakonov-Perel'' spin relaxation mechanism for
z-oriented spins in (110) III-V QWs; (ii) Suppression of the
Bir-Aronov-Pikus spin relaxation mechanism caused by
the type-II SAW piezoelectric potential; (iii) Suppression of
spin relaxation induced by the mesoscopic carrier confinement into
narrow stripes along the SAW wave front direction.
A spin transport anisotropy under external magnetic fields (Bext)
is demonstrated for the first time. Employing the well-defined
average carrier momentum impinged by the SAW, we analyze the spin
dephasing dynamics during transport along the [001] and [1-10]
in-plane directions. For transport along [001], fluctuations of the
internal magnetic field (Bint), which arises from the spin-orbit
interaction associated with the bulk inversion asymmetry of the
crystal, lead to decoherence within 2 ns as the spins precess around
Bext. In contrast, for transport along the [1-10] direction,
the z-component of the spin polarization is maintained for times one
order of magnitude longer due to the non-zero average value of
Bint. The dephasing anisotropy between the two directions is
fully understood in terms of the dependence of the spin-orbit
coupling on carrier momentum direction, as predicted by the
D''yakonov-Perel'' mechanism for the (110) system.
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