Nuclear-electron spin interaction in low-dimensional semiconductors

Abstract

The nuclear spins in semiconductors can serve as a quantum mechanical system with minutes long spin relaxation times, enhanced by the decoupling from the surrounding matter in strained nanostructures and the absence of interaction with light. In order to manipulate the nuclear spin system optically, resident electrons confined in the nanostructure are introduced as a mediator. The electron localization leads to an efficient coupling of the electron spin to the nuclear spins via Fermi contact hyperfine interaction. This allows one to polarize the nuclear spins and to detect their dynamics. In this work, the nuclear spin dynamics in a cadmium telluride (CdTe) quantum well is characterized, assisted by nuclear magnetic resonance radio frequency pulses. The independent dynamics of the isotope spins turns out to be harmonized. In the enhanced localization in negatively doped indium gallium arsenide (InGaAs) quantum dots, two nuclear spin polarization protocols are assessed. Firstly, the developed extended pump-probe setup allows to investigate the established nuclei-induced frequency focusing by tracing the electron spin precession with improved spectral resolution. Secondly, a novel technique based on the pulsed excitation with 1 GHz pulse repetition frequency is introduced which allows to establish a substantial nuclear spin polarization in a transverse field while also reducing the fluctuations of the unordered nuclear spins.

Die Kernspins in Halbleitern bilden durch die fehlende Wechselwirkung mit Licht ein quantenmechanisches System mit langen Spin-Relaxationszeiten, die durch die Entkopplung vom umgebenden Festkörper in verspannten Nanostrukturen noch verlängert werden. Residente Elektronen in der Nanostruktur erlauben es, die Polarisation des Lichts auf das Kernspinsystem zu übertragen und optisch zugänglich zu machen, weil die Elektronenlokalisierung für eine effiziente Kopplung des Elektronenspins mit den Kernspins über die Fermikontakt-Hyperfeinwechselwirkung sorgt. In dieser Arbeit wird zum einen die isotopenaufgelöste Kernspindynamik in einem Cadmiumtellurid-Quantentopf mit Hilfe von Kernspinresonanzpulsen charakterisiert und eine Angleichung der Dynamik der eigentlich unabhängigen Isotopenspins beobachtet. Für die stärkere Lokalisierung in negativ dotierten Indiumgalliumarsenid-Quantenpunkten werden zum anderen zwei Kernspinpolarisationsprotokolle untersucht. Erstens erlaubt die verbesserte Präzessionsfrequenzauflösung des im Umfeld der Arbeit entwickelten, erweiterten Pump-Probe-Aufbaus die detaillierte Untersuchung der bekannten kerninduzierten Frequenzfokussierung. Zweitens wird die optische Anregung mit einer Pulsfrequenz von 1 GHz beschrieben. Dadurch wird eine signifikante Kernspinpolarisation in einem transversalen Magnetfeld induziert und gleichzeitig die Fluktuation der ungeordneten Kernspins reduziert.