Dynamical formation and manipulation of the persistent spin helix

Abstract

Das Verständnis und die Manipulation der Elektronenspindynamik und des Transports in niedrigdimensionalen Halbleiter-Nanostrukturen ist eine Schlüsselanforderung für funktionale Quantentechnologien. In dieser Arbeit wird ein zeit- und ortsaufgelöstes magneto-optisches Kerr-Mikroskop eingesetzt. Dieses ermöglicht es die Wirkung von impulsabhängigen effektiven Magnetfeldern auf die Spin-Dynamik eines zweidimensionalen Elektronengases in GaAs und CdTe Quantentrögen mit hoher Ladungsträgermobilität zu untersuchen. Beide Strukturen verfügen über eine nahezu ausgeglichene Dresselhaus und Rashba Spin-Bahn-Kopplung, die das Entstehen einer unidirektionalen Spinwellentextur mit SU(2)-Symmetrie, der sogenannten persistenten Spin-Helix, ermöglicht. Die Spin-Bahn-Kopplung kann direkt aus dem experimentell gemessenen kohärenten Spin-Präzessionsmuster quantifiziert werden. Es wird beobachtet, dass die Anwendung von (i) Magnetfeldern in der Quantentrogebene die Extraktion der Spin-Bahn-Kopplungsparameter ermöglicht. (ii) Gate-Felder die senkrecht zur Ebene angelegt werden variieren sowohl den Rashba- als auch den kubischen Dresselhaus-Parameter und (iii) elektrische Felder in der Ebene verändern die Modulationsfrequenz der Spin-Helix und den Diffusionskoeffizienten. (iv) Optische Dotierung der CdTe Probe führt zu einer Feinabstimmung der Spin-Helix durch räumliche Gradienten der Spin-Bahn-Kopplungsparameter. Die anschließende präzise Abstimmung aller Spin-Kontrollmechanismen ermöglicht die Unterdrückung von effektiven Magnetfeldern während des Spintransports, so dass die Spinorientierung erhalten bleibt. Alle experimentellen Ergebnisse werden durch Simulationen, basierend auf der Monte Carlo Methode und der kinetischen Theorie bestätigt.

Understanding and manipulating the electron spin dynamics and transport in low-dimensional semiconductor nanostructures is a key requirement for functional quantum technologies. In this work, a time- and space-resolved magneto-optic Kerr microscope is employed to explore the effect of momentum-dependent effective magnetic fields on the spin dynamics of a twodimensional electron gas in high-mobility GaAs and CdTe quantum wells. Both structures feature nearly equal Dresselhaus and Rashba spin-orbit coupling, enabling the emergence of a unidirectional spin wave texture with SU(2) symmetry, the so-called persistent spin helix. The spin-orbit coupling can be quantified directly from the experimentally measured coherent spin precession pattern. It is observed that application of (i) perpendicular in-plane magnetic fields allows for the extraction of the spin-orbit coupling parameters. (ii) Out-of-plane gate fields tune the Rashba and cubic Dresselhaus parameter directly and (iii) in-plane electric fields vary the modulation frequency of the spin helix and the diffusion coefficient. The CdTe sample reveals a fine tuning of the pattern via (iv) optical doping, creating a spatial gradient of the spin-orbit coupling parameters. Precise engineering of all spin control mechanisms enables a regime of locked spin transport where the effective magnetic fields are suppressed. All experimental results are supported by qualitative kinetic theory and Monte Carlo simulations.