Spinkohärenz, Spininjektion und Spintransport. (in (in Halbleitern) Halbleiter 1. η Kohärenter Spintransport und Spinmanipulation T 1

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1 Spinkohärenz, Spininjektion und Spintransport (in (in Halbleitern) Spin-Transistor (Das & Datta 1990): Spin-LED (Oestreich et al, 1998) Laserspiegel V G 0 1 Fe Fe σ + off Halbleiter 0 1 U aktive Schicht effiziente Spininjektion (out-of-plane/in-plane) η Kohärenter Spintransport und Spinmanipulation T 1, T 2

2 Ausgangspunkt Spin-Kohärenzzeiten T 2 > 100 ns in n-gaas Spin-Transport über mehr als 100 μm (Kikkawa et al., PRL 1998, Nature 1999) Spin-Injektion mittels II-VI DMS η = 90 % (Fiederling et al. Nature 99) Spin-Injektion mittels FM GaMnAs η = 8 % (Ohno et al. Nature 99)

3 Raumtemperatur-Spinkohärenz 4 K TRKR [a.u.] 150 K 300 K Spinkohärenzzeiten GaN: T 2 35 ps (RT) T 2 20 ns (5 K) Mg dotiert (p-typ) GaN Löcher: T ps (10 K) (Beschoten et al., PRB 01, Hu et al., PRB 05) B 1.2 T Time [ps] Spinoszillationen in GaAs bei Spinkohärenzzeiten Raumtemperatur ZnO: auflösbar T ps (280 K) T 2 20 ns (30 TK) (Ghosh ps et al., APL 05)

4 Kontrolle der Spinkohärenz: strain engineering Verspannter Halbleiter + E-Feld kohärente Spin-Manipulation ohne B-Feld (Kato et al., Nature 04, PRL 04) Spinkohärenzzeit um 10 2 durch Verspannung in QW erhöht (Theorie) Spinlebensdauer / kohärenzzeit um Faktor 4 in QWs bei RT durch E-Feld erhöht (Theorie) (Jiang&Wu PRB 05, Lau&Flatte PRB 05)

5 Spinkohärenz in in 2DEG Messung von Spin-Echos mit gepulstem EPR- Spektrometer T 2 3 μs (4 K) in 2DEG (Si/SiGe QW) (Tyryshkin et al., PRL 05) Oszillationen der Spinkohärenzzeit und g eff (ähnlich Shubnikov-de Haas Effekt) Kontrolle der Spinkohärenz über Quantisierung der Landauniveaus im 2DEG (Sih et al., PRB 04)

6 Einflüsse des Kernspins in in n-gaas Kernpolarisationszeit 17,5 min (Overhauser-Effekt) B int 0,1 T (Scheibner, Diss. 05, Kikkawa et al., Science 00) Lokale Manipulation und Detektion der Kernspinkohärenz in QWs Kernspinkohärenzzeit T μs (Sanada et al., PRL 06)

7 Spin Manipulation --Proximity Effekt Dynamische Kernpolarisation (DNP) über Hyperfein-WW durch DFP polarisierte Elektronenspins: ferromagnetic imprinting (Kawakami et al., Science 01, Young et al. Semicond. Sci. Technol. 02) DFP in optisch angeregten Halbleitern theoretisch verstanden: innerhalb ~ps starke WW zwischen angeregtem Plasma und HL-FM- Grenzschicht (Bauer et al., PRL 04) Spontane Spinpolarisation durch dynamic ferromagnetic proximity Effekt (DFP) an ferromagnetischen Grenzflächen Durch DFP induzierter (reiner) Spintransport in 2DEG spin-valve Struktur vorhergesagt (McGuire et al., PRB 04)

8 Nanostructured FM SC Hybrids with Remanent out-of-plane Magnetization 20 x Fe (2.6 nm) / Tb (1.4 nm) Ni dots with aspect ratio ~ 3 e.g. φ = 250 nm, h = 700 nm nm nm 0 nm 3500 nm nm nm 500 nm 1750 nm 500n m 0 nm 10 µm 10 μm 1750 nm 5 µm 5 μm 0 nm 0 nm 10 µm 10 μm 5 µm 5 μm 0 µm 0 μm 0 μm 0 µm

9 Spin Manipulation magnetische Streufelder e - spin Fe/Tb Schichtsystem + σ - + σ + Halm, Schuster, Bacher, Keune, Puls, Henneberger

10 Abbildung Spintransport // Spinansammlung Spinansammlung an Metall-Halbleiter- Grenzfläche bei forward biased Schottkydiode (Stephens et al., PRL 04)

11 Abbildung Spintransport // Spinansammlung Direkte Abbildung von Spininjektion/ -ansammlung in GaAs mit FM-Kontakten Elektrische Leitfähigkeit wird moduliert durch Kontrolle der optisch injizierten Spins am drain Kontakt (Crooker et al., Science 05)

12 Ausgangspunkt Spin-Kohärenzzeiten T 2 > 100 ns in n-gaas Spin-Transport über mehr als 100 μm (Kikkawa et al., PRL 1998, Nature 1999) Spin-Injektion mittels II-VI DMS η = 90 % (Fiederling et al. Nature 99) Spin-Injektion mittels FM GaMnAs η = 8 % (Ohno et al. Nature 99)

13 Magnetische Halbleiter: Suche nach neuen Konzepten ZnMnSe/Zn(Cd)Se: PL-Polarisation bis 40% (Murayama et al., APL 88 (2006)) ZnMnSe/Ga(In)As: EL mit Polarisationen bis 35 % (QW) bzw. 20 % (QD) (Löffler et al., APL 88 (2006)) Keine befriedigende Spininjektion in GaMnN/Ga(In)N- Dioden (Buyanova et al. APL 84 (2004)) Spininjektion erschwert in GaMnAs/Ga(Al)As (Brey et al., PRB 70 (2004)) InMnAs-Dots als Spininjektor mit erhöhter Curie- Temperatur Chakrabarti et al., Nanoletters 5 (2005) G. Bacher,SFB491 03/2005

14 Zener-Diode (in plane) Interband-Tunnelprozess aus GaMnAs- Valenzband in GaAs/AlGaAs 80 % Spinpolarisation bei Tieftemperatur Aber: Sehr starke Abhängigkeit von der angelegten Spannung V(V) Van Dorpe, APL 84 (2004) G. Bacher,SFB491 03/2005

15 Spininjektion in in Quantenpunkte über Schottky-Barrieren Li et al., APL 86 (2005) Reduzierte Spinrelaxation in InAs-QDs Polarisationsgrad ca. 5% in weitem T-Bereich (Li et al., APL 86, (2005)) Hanle-Messungen (geneigtes B-Feld): Rückschluss auf injizierte Spinpolarisation von P=20% (Itskos et al. APL 88, (2006)) G. Bacher,SFB491 03/2005

16 Injektion über Fe/(Al)GaAs-Schottky-Kontakte und danach..? X dominieren Freie e - dominieren AlGaAs GaAs AlGaAs e - QWells U=2.1V Bulk U=3.56V Adelmann et. al., PRB 71 (2005) Erhöhte Spinrelaxation für niedrige T durch Exzitonenbildung Injektionseffizienz leicht abfallend mit steigendem T Kioseoglou et. al., APL 87 (2005)) Angelegte Spannung beeinflusst Dimensionalität der Ladungsträger Aufhebung der HH/LH-Entartung wird direkt im Polarisationsgrad messbar G. Bacher,SFB491 03/2005

17 Spininjektion durch Oxidbarrieren Al 2 O 3 -Schichten: Polarisation bis 40 % in GaAs/AlGaAs-QWells (van t Erve et al. APL 84 (2004)) MgO-Oxidschichten: Polarisationen bis 57% (Jiang et al, PRL 94 (2005)) Ausheilen verbessert Grenzschichten und Tunnelbarrien (Wang et al, APL 86 (2005)) Injektionseffizienz unabhängig von T (Salis et al., APL 87 (2005)) 8% Al 16% Al Wang et al, APL 86 (2005) Jiang et al, PRL 94 (2005) G. Bacher,SFB491 03/2005

18 Heusler-Legierungen und Fe Fe 3 Si Si Attraktives Konzept (T C >600 C) Co 2 MnGe (Dong et al, APL 86, (2005)), Co 2.4 Mn 1.6 Ga, Hickey et al., APL 86, (2005)) Experimentelle Werte noch deutlich schlechter als Fe-basierte Spininjektion: Minority spin gap noch zu klein? Fe 3 Si: Nur 2.5 % Polaristation bei Tieftemperatur, allerdings stabiler mit der Temperatur (Kawaharazuka et al. APL 85, (2004)) Dong et al, APL 86, Idee: Halbmetallische GaN:Cr/AlN- Grenzschicht als Injektor (Medvedeva et al. PRL 94, ) G. Bacher,SFB491 03/2005

19 VCSEL Optisch gepumpt Elektrisch gepumpt RT N. Gerhardt et al., EL 42 (2006) M. Holub et al., APL 87 (2005) G. Bacher,SFB491 03/2005