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Schwerpunktprogramm SPP 1285
Halbleiter Spintronik
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Spinrelaxation

Neben der Spininjektion sind lange und nach Möglichkeit einstellbare Spinrelaxationszeiten Schlüsselelemente für die Entwicklung spintronischer Bauelemente. Typische Zeitskalen für die Spinrelaxation von Elektronen in Halbleitern reichen von wenigen Pikosekunden bis Minuten [34-36]. Verantwortlich für die Spinrelaxation von Elektronen sind verschiedene Mechanismen, wobei die meisten auf der Spin-Bahn-Wechselwirkung beruhen. Bei Raumtemperatur dominiert häufig der Dyakonov-Perel (DP) Mechanismus, der auf der durch die Inversionsasymmetrie induzierten Spinaufspaltung des Leitungsbandes beruht [37, 38]. Der DP-Mechanismus kann durch ein sich statistisch änderndes, k-abhängiges Magnetfeld B(k) beschrieben werden, um das die Elektronen präzedieren. Die Spinrelaxationszeit des DP-Mechanismus ist invers proportional zur Impulsstreuzeit der Elektronen, da bei schneller Streuung "Motional Narrowing" auftritt. Der DP-Mechanismus ist in direkten Halbleitern mit kleiner Bandlücke in der Regel stärker als in direkten Halbleitern mit großer Bandlücke, da die Spin-Bahn-Wechselwirkung in Halbleitern mit kleiner Bandücke typischerweise stärker ist. Die Stärke des DP-Mechanismus hängt in Heterostrukturen zudem von der Kristallrichtung ab. In (110)-Quantenfillmen ist der DP-Mechanismus für Elektronenspins in Wachstumsrichtung beispielsweise vollständig unterdrückt, da in diesen Strukturen das k-abhängige Magnetfeld nur eine Komponente in Wachstumsrichtung besitzt und zum Magnetfeld parallele Elektronenspins nicht präzedieren [39]. Die maximalen Spinrelaxationszeiten sind in diesen Heterostrukturen wahrscheinlich durch den Intersubband-Spin-Relaxations-Mechanismus (ISR) begrenzt [40], wobei die von der Quantenfillmdicke abhängige, maximal erreichbare Spinrelaxationszeit insbesondere bei Raumtemperatur noch unbekannt ist. Weitere Spinrelaxationsmechanismen sind der Elliott-Yafet-Mechanismus (EY), der Bir-Aronov-Pikus-Mechanismus (BAP) und die Hyperfeinwechselwirkung mit den Kernspins [41]. Der EY-Mechanismus basiert auf der Mischung von Spinzuständen von Leitungsbandelektronen aufgrund der k*p-Kopplung, der Mischung von Valenz- und Leitungsbändern und der Spin-Bahn-Aufspaltung des Valenzbandes und ist verglichen mit den anderen Mechanismen typischerweise relativ schwach. Der BAP-Mechanismus beschreibt die Elektronenspinrelaxation aufgrund der Elektron-Loch-Wechselwirkung, wobei anschaulich das schnell fluktuierende magnetische Moment der Löcher zu einer statistisch fluktuierenden Präzession der Elektronenspins führt. Dieser Mechanismus ist insbesondere für spin-optoelektronische Bauelemente relevant. Die Hyperfeinwechselwirkung mit Kernspins ist bei lokalisierten Elektronen ein effizienter Spinrelaxationsmechanismus.

Die theoretischen Ansätze zur Spinrelaxation spinpolarisierter Elektronen in Halbleitern sind ausführlich in den Referenzen [41, 43, 44] zusammengefasst. In den meisten Arbeiten werden die verschiedenen Beiträge zur Spinrelaxation unabhängig voneinander betrachtet. Der DP-Mechanismus, der häufig den wichtigsten Prozess darstellt, ist bereits am ausführlichsten untersucht worden. In (100)-orientierten Systemen wurde dabei eine gute Übereinstimmung mit gemessenen Spinrelaxationszeiten erzielt. Wu et al. haben kürzlich erste numerische Rechnungen zur DP-Spinrelaxation auf der Basis von Vielteilchen-Bloch-Gleichungen vorgestellt [45]. E. Ya. Sherman hat auf die mit dem DP-Mechanismus verwandte Spinrelaxation hingewiesen, die in symmetrischen Quantenfilmen durch die intrinsischen Fluktuationen der Spin-Bahn-Kopplung aufgrund statistisch verteilter Dotieratome auftritt [46]. Der EY-Mechanismus wird meist gegenüber den anderen Relaxationsmechanismen vernachlässigt. Er ist bisher nicht systematisch untersucht worden.

Technologisch sind insbesondere lange Spinrelaxationszeiten beim Transport der Elektronenspins über makroskopische Distanzen wünschenswert. Erste Messungen haben keine signifikante Spinrelaxation beim Transport von Elektronen in GaAs über Strecken von 4 µm in hohen elektrischen Feldern von 6 kV/cm ergeben [47]. Komplementäre Messungen in schwachen elektrischen Feldern bewiesen Spintransport über 100 µm [48]. Beide Messungen wurden allerdings bisher bei tiefen Temperaturen durchgeführt, wo der DP-Mechanismus schwach ist. Die Experimente lassen sich daher nicht direkt auf Raumtemperatur übertragen.

Wichtige Termine:


15. Sept. 2013:
Deadline für den Sonderband Semiconductor Spintronics (DFG-Abschlussbericht) in physica status solidi b
(nähere Informationen wurden per Email zugeschickt)


30. Sept. - 2. Okt. 2013:
Abschlusstreffen des Schwerpunktprogramms "International workshop on semiconductor spintronics" in der Residenz Würzburg
(nähere Informationen)

Aktuelle Veröffentlichung(en):

C. Drexler, S.A. Tarasenko, P. Olbrich, J. Karch, M. Hirmer, F. Müller, M. Gmitra, J. Fabian, R. Yakimova, S. Lara-Avila, S. Kubatkin, M. Wang, R. Vajtai, P. M. Ajayan, J. Kono, and S.D. Ganichev :  "Magnetic quantum ratchet effect in graphene" Nature Nanotechnology 8, 104 (2013)

J.H. Buß, J. Rudolph, S. Shvarkov, H. Hardtdegen, A.D. Wieck, and D. Hägele:  "Long electron spin coherence in ion‐implanted GaN: The role of localization" Appl. Phys. Lett. 102, 192102 (2013)

D.J. English, J. Hübner, P.S. Eldridge, D. Taylor, M. Henini, R.T. Harley, and M. Oestreich:  "Effect of symmetry reduction on the spin dynamics of (001)-oriented GaAs quantum wells" Phys. Rev. B 87, 075304 (2013)

V.L. Korenev, I.A. Akimov, S.V. Zaitsev, V.F. Sapega, L. Langer, D.R. Yakovlev, Yu. A. Danilov, and M. Bayer:  "Dynamic spin polarization by orientation-dependent separation in a ferromagnet–semiconductor hybrid" Nature Communications 3, 959 (2012)

M. Althammer, E.-M. Karrer-Müller, S.T.B. Goennenwein, M. Opel, R. Gross:  "Spin transport and spin dephasing in zinc oxide" Appl. Phys. Lett. 101, 082404 (2012)