Acoustic charge and spin transport in sidewall quantum wires on GaAs (001) substrates

Abstract

Die Ergänzung der konventionellen Elektronik durch die quantenmechanischen Spin Eigenschaften der Elektronen ermöglicht die Entwicklung von schnellen und effizienten Rechnersystemen. Ein bekannter Baustein für solch ein System ist der Datta-Das Spin-Transistor. In dieser Arbeit wird ein akustisch angetriebener Spin-Transistor untersucht, basiert auf Quantendrähten definiert mittels Molekularstrahlepitaxie. Diese Quantendrähte (QWRs: quantum wires) bilden sich während des epitaktischen Überwachsens an den Flanken von Barrenstrukturen auf GaAs (001) Substraten. Elektronen (Löcher), die optisch in den QWR injiziert werden, sind lateral durch eine Potenzialbarriere von 25.4 meV (4.8 meV) zum umgebenden Qauntum Well eingesperrt.

Die Verwendung einer akustischen Oberflächenwelle (AOW) ermöglicht den Transport von Elektronen und Löchern über große Entfernungen von bis zu 90 micron. Die akustische Transportdauer der QWR Ladungsträger entspricht der Dauer, die man aufgrund der akustischen Geschwindigkeit erwartet, d.h. dass die Ladungsträger sehr effizient transportiert werden. Im Fall von niedrigen akustischen Leistungen führen unbeabsichtigte Einfangzentren zu zusätzlichen Hotspots der Ladungsträgerrekombination auf dem Transportweg.

Die intrinsischen Spinlebenszeiten der QWR Ladungsträger betragen ungefähr 2 ns bis 3 ns. Akustischer Spintransport im QWR wird über Entfernungen von mindestens 15 micron beobachtet. Es wird gezeigt, dass für Ladungsträger im QWR das Spin-Bahn Feld, um welches die Spins während des Transportes rotieren, stark von der akustischen Leistung abhängt. Daher stellen Flanken-QWRs auf GaAs (001) Substraten ein vielversprechendes Konzept für die Verwendung in einem akustisch betriebenen Spin-Transistor dar.

Fast and efficient computation devices can be developed by complementing conventional electronics with quantum mechanical spin. A common example for such a building block is the Datta-Das spin transistor. In this thesis, an acoustically driven spin transistor based on acoustic spin transport in quantum wires is investigated. These quantum wires (QWRs) are defined by molecular-beam epitaxy growth. They form on the sidewalls of ridges on GaAs (001) substrates. The edges of the ridges contain deviations from a straight line, originating from the photolithography process. Optically injected electrons and holes in the QWR are laterally confined by a potential barrier between the QWR and the surrounding QW of 25.4 meV and 4.8 meV, respectively.

The application of a surface acoustic wave (SAW) enables the transport of electrons and holes over long distances along the QWR. For high acoustic powers, the charge carriers are transported by the strong SAW potential over distances up to 90 micron. The acoustic transport time of QWR corresponds to the one expected from the acoustic velocity, indicating a high transport efficiency. For lower acoustic powers, unintentional trapping centers lead to hotspots of carrier recombination along the transport path.

The intrinsic spin lifetimes of the QWR carriers are approximately 2 ns to 3 ns. Acoustic spin transport in the QWR is observed over distances of at least 15 micron. It is shown that the spin-orbit field, around which the spins rotate during transport, strongly depends on the acoustic power for the QWR carriers. For high acoustic powers, the QWR spin precession frequency is enhanced by 3.5 times with respect to the intrinsic one.

The results presented in this thesis demonstrate that the strain field of a SAW acts as a strain gate for QWR spins which are transported over a fixed distance. Therefore, the sidewall quantum wire on GaAs (001) substrates is a promising concept to be used in an acoustically driven spin transistor.