Spin-coherence and -dephasing of donor and free conduction band electrons across the metal-insulator transition in Si:GaAs

Heidkamp, Marcus; Güntherodt, Gernot

doi:1278

Spin-coherence and -dephasing of donor and free conduction band electrons across the metal-insulator transition in Si:GaAs

Heidkamp, Marcus (Author)

2004 & 2005

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marcus Heidkamp

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangXI, 213 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Prüfungsjahr: 2004. - Publikationsjahr: 2005

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Güntherodt, Gernot (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-12-06

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-12784
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62180/files/Heidkamp_Marcus.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Spin Dephasing (frei) ; Metal-Insulator Transition (frei) ; Pump-Probe (frei) ; Time-Resolved Kerr Rotation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Heutzutage sind Informationsverarbeitung und -speicherung noch getrennte Welten. Während die Informationsverarbeitung durch den Transport und die Manipulation von elektrischen Ladungen durchgeführt wird, so wird die Information hauptsächlich auf Basis von Magnetisierungszuständen permanent gespeichert. Das neue Gebiet der Spinelektronik versucht die Welt der Halbleiterelektronik mit der des Magnetismus zu kombinieren, um Nachteile der einzelnen Teilgebiete zu überwinden. Auch werden durch diese Kombination neue Phänomene und daraus resultierende Anwendungen erwartet. Diese Dissertation beleuchtet zwar nur einen kleinen wenn auch fundamentalen Teil der Spinelektronik, nämlich die Spinkohärenz in III/V Halbleitern. Die Spins lassen sich in diesem System durch optische Anregung mit zirkular polarisiertem Licht erzeugen, wobei ihre zeitliche Dekohärenz mittels optischer Pump-Probe Verfahren verfolgt werden kann. Es werden prinzipielle experimentelle Aufbauten gezeigt, wie die zeitaufgelöste Kerr-/Faraday-Spektroskopie, sowie deren Anwendung am Beispielsystem Si:GaAs. Die systematische Untersuchung der transversalen Spinlebensdauer in Abhängigkeit von verschiedenen externen Parametern, wie Temperatur, Magnetfeld, Laseranregungsleistung und -energie erlaubt eine Interpretation der experimentell gefundenen Abhängigkeiten. Besonders die Variation der Dotierung über den Metall-Isolator-Übergang hinweg gibt entscheidende Hinweise über die Rolle der elektronischen Zustände und deren Einfluß auf die Spinkohärenz: So zeigen delokalisierte Donator-Elektronen die längsten Spinlebensdauern von über 100ns (bei tiefen Temperaturen und für Proben direkt am Metall-Isolator-Übergang). Bei freien Leitungsband-Elektronen wurden noch über 20ns gefunden, wohingegen lokalisierte Donator-Elektronen deutlich kürzere Lebensdauern von nur etwa 100ps aufzeigen. Ein Großteil der gefundenen Effekte läßt sich durch bekannte Spindephasierungsmechanismen, wie D´yakonov-Perel´ oder Elliott-Yafet, erklären. Zudem spielt der Einfluss der magnetischen Momente der Atomkerne auf die Elektronen durch die Hyperfeinfeld-Wechselwirkung einen entscheidende Rolle. So kann man mit Hilfe der optischen Orientierung der Elektronenspins die Kernspins derart stark polarisieren, dass die dabei auftretenden inneren Magnetfelder (etwa 100mT) die gleiche Größenordnung erreichen können, wie die von außen angelegten Magnetfelder. Aufgrund der Schwäche der Elektron-Kern-Wechselwirkung lassen sich diese Phänomene auch einer Minuten-Zeitskala verfolgen, im Gegensatz zu den Elektronen, bei denen die Spindephasierung ja auf einer pikosekunden bis nanosekunden Skala ereignet. Durch die hier vorgestellten fundamentalen Ergebnisse wird die Entwicklung neuartiger Spinelektronik-Bauelemente hoffentlich nicht mehr lange auf sich warten lassen.

Today, information processing and information storage are still two separate worlds. While information processing is performed by moving and manipulating electrical charges, the information is usually stored permanently as a magnetization state. The emerging field of Spintronics is trying to combine the world of semiconductor electronics and magnetism to overcome disadvantagesof each part on its own. Furthermore, new phenomena and applications associated with them may arise. Although this dissertation deals only with a sub-topic of Spintronics, namely the spin coherence and dephasing in III/V semiconductors, this topic is nevertheless fundamental to the whole field. In these systems, spins can be generated by optical excitation using circularly polarized light, while their decoherence may be observed by time-resolved pump-probe spectroscopy. This work introduces some basic experimental setups, like time-resolved Kerr/Faraday rotation spectroscopy, as well as their applicationto the model system Si:GaAs. Systematics studies of the transverse spin lifetime depending on various external parameters, such as temperature, magnetic field, laser excitation power and energy allow for the interpretation of the experimental data. Especially the doping dependence across the metal-insulator-transition gives clues to the role of the electronic states and their influence on spin coherence: Thus, delocalized donor electrons show the longestspin lifetimes exceeding 100ns (at low temperatures and for samples right at the metal-insulator transition). Over 20ns have been found for free conduction band electrons, while localized donor electrons exhibit spin lifetimes of only about 100ps. A majority of the effects found can be explained by know spindephasing mechanisms, such as D´yakonov-Perel´ or Elliott-Yafet.In addition, the influence of the nuclear magnetic moments to the electrons plays a decisive role. Using optical orientation of the electron spins, one can actually polarize the nuclear spins so high, that the resulting internal magnetic fields (about 100mT) can be on the order of the externally applied magnetic fields. Due to the weakness of the nuclear hyperfine coupling, those phenomena can be observed on the minute timescale, in contrast to the electron spins, where spin dephasing takes place on the picosecond to nanosecond timescale, as already mentioned. Due to the fundamental results presented in this work, new Spintronics devices will hopefully emerge in the near future.

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