Acoustically induced spin transport in (110) GaAs quantum wells
Creators: name: Junior, Odilon Divino Damasceno Couto
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2008
Subjects: subject: Halbleiter
subject: Elektronenspinrelaxation
subject: (110) Quantenfilmen
subject: akustischer Oberflächenwellen
subject: semiconductor
subject: spin transport
subject: (110) GaAs quantum wells
subject: surface acoustic waves
subject: 530 Physik
subject: 29 Physik, Astronomie

description: Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen der Transport und die Manipulation optisch angeregter Elektronen-Spins in (110) Quantenfilmen (quantum wells, QWs) mittels akustischer Oberflächenwellen (surface acoustic waves, SAWs). Der starke räumliche Einschluss der Ladungsträger im akustisch erzeugten Potenzial erlaubt spinerhaltenden Ladungsträgertransport mit der akustischen Geschwindigkeit. Auf diese Weise wird langreichweitiger Spintransport über Distanzen &gt; 60 microns demonstriert, welche Spinlebenszeiten von mehr als 20 ns entsprechen. Erreicht werden diese extrem langen Spinlebenszeiten durch drei Effekte: (i) Der D''yakonov-Perel''-Mechanismus ist für Spins in Wachstumsrichtung von (110)-QWs in III-V-Halbleitern unterdrückt. (ii) Aufgrund des Typ-II piezoelektrischen Potenzials der akustischen Oberflächenwelle ist der Bir-Aronov-Pikus Spinrelaxations-Mechanismus sehr schwach. (iii) Der starke Einschluss der Ladungsträger in mesoskopische Bereiche stabilisiert den Spin zusätzlich. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals eine Anisotropie des Spintransports in einem externen Magnetfeld (Bext) nachgewiesen. Hierzu wurde die elektronische Spindynamik während des akustischen Transports entlang der [001]- bzw. [1-10]-Richtung untersucht. Während des Transports entlang der [001]-Richtung führt die Präzession der Elektronenspins um das fluktuierende interne Magnetfeld (Bint), das vom Fehlen eines Inversionszentrums im GaAs-Kristallgitter herrührt, zu Spinkohärenzzeiten von etwa 2 ns. Im Gegensatz hierzu ist beim Transport entlang der [1-10]-Richtung die Spinrelaxation für Spins in Wachstumsrichtung um eine Größenordnung langsamer. Grund hierfür ist die endliche mittlere Größe des internen effektiven Magnetfeldes Bint für Transport entlang dieser Richtung. Die beobachtete Anisotropie in der Spindynamik für die beiden Transportrichtungen wird vollständig im Rahmen der Spin-Bahn-Kopplung und des D''yakonov-Perel''-Mechanismus beschrieben und quantitativ erklärt.
description: In this work, we employ surface acoustic waves (SAWs) to transport and manipulate optically generated spin ensembles in (110) GaAs quantum wells (QWs). The strong carrier confinement into the SAW piezoelectric potential allows for the transport of spin-polarized carrier packets along well-defined channels with the propagation velocity of the acoustic wave. In this way, spin transport over distances exceeding 60 microns is achieved, corresponding to spin lifetimes longer than 20 ns. The demonstration of such extremely long spin lifetimes is enabled by three main factors: (i) Suppression of the D''yakonov-Perel'' spin relaxation mechanism for z-oriented spins in (110) III-V QWs; (ii) Suppression of the Bir-Aronov-Pikus spin relaxation mechanism caused by the type-II SAW piezoelectric potential; (iii) Suppression of spin relaxation induced by the mesoscopic carrier confinement into narrow stripes along the SAW wave front direction. A spin transport anisotropy under external magnetic fields (Bext) is demonstrated for the first time. Employing the well-defined average carrier momentum impinged by the SAW, we analyze the spin dephasing dynamics during transport along the [001] and [1-10] in-plane directions. For transport along [001], fluctuations of the internal magnetic field (Bint), which arises from the spin-orbit interaction associated with the bulk inversion asymmetry of the crystal, lead to decoherence within 2 ns as the spins precess around Bext. In contrast, for transport along the [1-10] direction, the z-component of the spin polarization is maintained for times one order of magnitude longer due to the non-zero average value of Bint. The dephasing anisotropy between the two directions is fully understood in terms of the dependence of the spin-orbit coupling on carrier momentum direction, as predicted by the D''yakonov-Perel'' mechanism for the (110) system.