Nonequilibrium spin phenomena in quantum dots induced by periodic optical excitation
Creators: name: Schering, Philipp
Publisher: name: TU Dortmund
Year: 2021
Subjects: subject: Spin dynamics
subject: Quantum dots
subject: Decoherence
subject: Coherent control
subject: Central spin model
subject: Nonequilibrium phenomena
subject: 530
subject: Spindynamik
subject: Quantenpunkt
subject: Kohärenz
subject: Spinmodell
subject: Nichtgleichgewicht

description: The coherent control of a charge carrier spin that is localized in a semiconductor quantum dot and the generation of long-lived states for information storage are of particular interest for quantum information processing. This spin interacts predominantly with the surrounding nuclear spins in the quantum dot, which can be described by the central spin model. The periodic application of circularly polarized laser pulses induces nonequilibrium spin dynamics in the quantum dot, giving rise to various phenomena that can be observed in experiments. In this thesis, models and semiclassical approaches are developed to simulate the driven spin dynamics in this system under experimental conditions. For the case where a transverse magnetic field is applied, it is found that the part of the spin mode locking effect stemming from nuclei-induced frequency focusing depends nonmonotonically on the strength of the magnetic field, with strong similarities to experimental observations. The complex behavior is related to various nuclear magnetic resonances with respect to the repetition rate of the laser pulses, which can be exploited for novel kind of nuclear magnetic resonance spectroscopy of the emerging nonequilibrium steady states. For the case where a longitudinal magnetic field is applied, the influence of the pump pulse power on the spin inertia and on the polarization recovery effect is analyzed. With the help of the developed model, the related experiments can be understood and described quantitatively. In this context, a novel effect termed resonant spin amplification in Faraday geometry is predicted, which enables the direct measurement of the longitudinal g factor of the resident charge carriers. Model calculations are used to find the optimal conditions for its detection and ways to improve its visibility are pointed out. The comparison with recent experiments that demonstrate the realization of the effect shows a remarkable agreement.
description: Die kohärente Kontrolle eines Ladungsträgerspins, der in einem Halbleiterquantenpunkt lokalisiert ist, sowie die Erzeugung langlebiger Zustände zur Informationsspeicherung sind von besonderem Interesse für die Quanteninformationsverarbeitung. Solch ein Spin wechselwirkt hauptsächlich mit den ihn umgebenden Kernspins im Quantenpunkt, was durch das Zentralspinmodell beschrieben werden kann. Durch periodische Anregung mit zirkular polarisierten Laserpulsen lässt sich die Spindynamik in Quantenpunkten in ein Nichtgleichgewicht treiben, wodurch verschiedene Phänomene auftreten können, die sich in Experimenten beobachten lassen. In dieser Arbeit werden theoretische Modelle und semiklassische Methoden entwickelt, um die getriebene Spindynamik unter experimentellen Bedingungen zu simulieren. Im Falle eines angelegten transversalen Magnetfelds zeigt sich, dass der Teil des „Spin Mode Locking“ Effekts (Synchronisation von Spin-Moden), welcher aufgrund einer durch die Kernspins induzierten Frequenzfokussierung entsteht, eine nicht-monotone Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfelds aufweist, mit starken Parallelen zu experimentellen Beobachtungen. Verantwortlich für das komplexe Verhalten sind verschiedene Kernspinresonanzen bezogen auf die Wiederholungsrate der Laserpulse. Hieraus ergibt sich eine neue Art von Kernspinresonanzspektroskopie, durch welche die langlebigen Nichtgleichgewichtszustände untersucht werden können. Im Falle eines angelegten longitudinalen Magnetfelds wird der Einfluss der Pulsleistung auf den „Spin Inertia“ (Spinträgheit) und den „Polarization Recovery“ (Wiederherstellung der Spinpolarisation) Effekt untersucht. Die zugehörigen Experimente lassen sich durch das entwickelte Modell quantitativ verstehen und beschreiben. In diesem Zusammenhang wird ein neuer Effekt vorhergesagt, welcher als „Resonant Spin Amplification in Faraday Geometry“ (Resonante Spinverstärkung in Faraday Geometrie) bezeichnet wird und die direkte Bestimmung des longitudinalen g-Faktors der Ladungsträger ermöglicht. Optimale Bedingungen für dessen Beobachtung und Möglichkeiten zu Verbesserung seiner Sichtbarkeit werden aufgezeigt. Der Vergleich mit kürzlich durchgeführten Experimenten, welche die Existenz des Effekts bestätigen, zeigt eine hervorragende Übereinstimmung.