Spindynamik in hochbeweglichen 2D-Elektronen- und Lochsystemen
Michael Kugler, Michael Griesbeck, Stephan Furthmeier, Christian Gradl, Tobias Korn, Christian Schüller
Die zeitaufgelöste Faraday-Rotation ist eine Pump-Probe-Technik, die die Beobachtung der Spindynamik in Halbleiter-Heterostrukturen mit sub-Pikosekunden-Auflösung erlaubt. Mit einem zirkular polarisierten Pump-Puls werden in der Probe spinpolarisierte Elektron-Loch-Paare erzeugt. Ein zweiter, zeitlich verzögerter Probe-Puls dient zur Detektion der Spinpolarisation über den Faraday-Effekt. Eine Spinpolarisation in der Probe dreht die Polarisationsebene des linear polarisierten Probe-Pulses um einen kleinen Winkel. Über eine 'optische Brücke' sind kleinste Verkippungen der Polarisationsebene detektierbar. Die Zeitdifferenz zwischen Pump- und Probestrahl wird durch unterschiedliche Weglängen der Strahlen eingestellt.
Durch die Modulationsdotierung von Halbleiter-Heterostrukturen lassen sich zweidimensionale Elektronen- und Lochsysteme realisieren, in denen die Ladungsträger eine extrem hohe Beweglichkeit aufweisen. Damit sind diese Strukturen hervorragende Modellsysteme, um Vielteilcheneffekte (z.B. Elektron-Elektron-Wechselwirkung) zu untersuchen. Die Änderung der Dimensionalität ändert auch die Spin-Bahn-Wechselwirkung, dementsprechend wird die Spindynamik von Elektronen und Löchern drastisch verändert im Vergleich zu Volumen-Halbleitermaterial.
(a) In einem 2D-Elektronensystem kann die Spin-Bahn-Wechselwirkung eine deutliche Anisotropie haben. Dadurch wird die Spinlebensdauer von Elektronen mit verschiedener Spinorientierung stark unterschiedlich. Über zeitaufgelöste Faraday-Rotation mit angelegten Magnetfeldern lässt sich dieser Effekt beobachten.
(b)In einem 2D-Lochsystem kann bei sehr tiefen Temperaturen sowohl die Dynamik der Elektronen im Magnetfeld beobachtet werden, als auch die Dynamik der Löcher. Elektronen und Löcher haben stark unterschiedliche g-Faktoren, im Magnetfeld präzedieren sie also mit unterschiedlichen Frequenzen.
Michael Kugler, Michael Griesbeck, Stephan Furthmeier, Christian Gradl, Tobias Korn, Christian Schüller
Einige ausgewählte Referenzen
- M. Kugler, T. Andlauer, T. Korn, A. Wagner, S. Fehringer, R. Schulz, M. Kubova, C. Gerl, D. Schuh, W. Wegscheider, P. Vogl, and C. Schüller:
„Gate control of low-temperature spin dynamics in two-dimensional hole systems”,
Phys. Rev. B 80, 035325 (2009).
- V. V. Belkov, P. Olbrich, S. A. Tarasenko, D. Schuh, W. Wegscheider, T. Korn, C. Schüller, D. Weiss, W. Prettl, and S. D. Ganichev:
„Symmetry and spin dephasing in (110)-grown quantum wells”,
Phys. Rev. Lett. 100, 176806 (2008).
- D. Stich, J. Zhou, T. Korn, R. Schulz, D. Schuh, W. Wegscheider, M.W. Wu, and C. Schüller:
„Effect of Initial Spin Polarization on Spin Dephasing and the Electron g Factor in a High-Mobility Two-Dimensional Electron System”,
Phys. Rev. Lett. 98, 176401 (2007).
- D. Stich, J. H. Jiang, T. Korn, R. Schulz, D. Schuh, W. Wegscheider, M.W. Wu, and C. Schüller:
„Detection of large magneto-anisotropy of electron spin desphasing in a high mobility two-dimensional electron system in a [001] GaAs/AlGaAs quantum well”,
Phys. Rev. B 76, 073309 (2007).
- D. Stich, J. Zhou, T. Korn, R. Schulz, D. Schuh, W. Wegscheider, M.W. Wu, and C. Schüller:
„Dependence of spin dephasing on initial spin polarization in a high-mobility two-dimensional electron system”,
Phys. Rev. B 76, 205301 (2007).