Characterization of semiconductor nanostructures by spin-flip Raman spectroscopy

Abstract

Das wesentliche Ziel im Forschungsfeld der Spintronik ist die volle Ausnutzung von Spin und Ladung quantenmechanischer Teilchen, um Informationen darzustellen und zu verarbeiten. Eine Grundvoraussetzung für die Realisierung von Festkörper- Quanteninformationsanwendungen ist die robuste Quantenkohärenz, die die Essenz der Verschränkung darstellt. Die fundamentale Frage mit der sich die Halbleiter-Spintronik auseinandersetzt ist daher, wie die Quantendekohärenz durch störende Wechselwirkungen innerhalb von Halbleiterstrukturen kontrolliert werden kann. Entscheidend für die Erforschung neuer Spin-Effekte oder zur Verbesserung bestehender Spin-Phänomene ist das Erlangen eines besseren Verständnisses quantenmechanischerWechselwirkungen, insbesondere zwischen Ladungsträgern untereinander als auch zwischen Ladungsträgern und sekundären Systemen. Zu sekundären Systemen zählen zum Beispiel thermische Phononen, uktuierende Ladungen oder Kernspins. Im Rahmen dieser Arbeit wird die fundamentale Frage mit Hilfe der Spin-Flip-Raman-Streuung in Angriff genommen, die eine grundlegende Technik darstellt, um Spin-Wechselwirkungen von niederdimensionalen Halbleitern zu untersuchen. In diesem Hinblick widmet sich diese Arbeit verschiedenen Forschungsschwerpunkten, wobei Spin-Effekte und Wechselwirkungen in selbstorganisierten (In,Ga)As/GaAs Quantenpunkten, in verdünnt magnetischen (Zn,Mn)Se Halbleitern und CdSe kolloidalen Nanokristallen untersucht werden. Im ersten Teil der Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der thermischen Effizienzsteigerung der kohärenten Spin-Flip-Raman-Streuung an residenten Elektronen in Quantenpunkten. Insbesondere wird demonstriert, dass thermische Phononen den kohärenten Spin-Flip-Streuprozess auf Basis der Elektronenaustausch-Wechselwirkung nicht ausschließlich stören. Dies unterstreicht, dass es lohnenswert ist, die kohärente Spinphysik bei hohen Temperaturen voranzutreiben. Es wird ferner gezeigt, dass die Spin-Flip- Raman-Streuung nicht nur zur Manipulation von Ladungsträgerspins eingesetzt werden kann, sondern auch, um die Kopplung von Ladungsträgerspins an das umgebende Kernspinbad sensibel anzuzeigen. Auf dieser Basis lässt sich auch das zentrale Spin- Problem untersuchen. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit dem Einfluss von Kristallfeldaufspaltung auf paramagnetische Mn2+ Spin-Flip-Resonanzen in einem verdünnt magnetischen Quantentrog. Es wird nachgewiesen, dass eine signifikante Quadrupolkorrektur von einigen Dutzend GHz dieWechselwirkung beeinflusst, was zu einer starken Asymmetrie der gestreuten Lichtfrequenz führt. Im letzten Teil dieser Arbeit werden die Spin-Eigenschaften von residenten Elektronen in CdSe Nanoplättchen untersucht, welche eine starke Abhängigkeit vom Quanteneinschlusspotential und der Magnetfeldeinschränkung aufzeigen. Zusammengefasst weist diese Arbeit die Fortschritte und Probleme der Halbleiter-Spintronik auf und fast verschiedene Möglichkeiten zur Identifizierung, Manipulation und Beobachtung von Ladungsträger-Spin-Eigenschaften zusammen.