Time resolved electrical injection of coherent spin packets through a Schottky barrier

  • Zeitaufgelöste elektrische Injektion kohärenter Spinpakete durch eine Schottky-Barriere

Schreiber, Lars Reiner; Güntherodt, Gernot (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2008)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Kurzfassung

In den letzten Jahren wurde die Manipulation des Spinfreiheitsgrades des Elektrons für die Informationsverarbeitung im Rahmen des neuen Gebietes der Spinelektronik erforscht. Künftige Spinelektronikbauteile beruhen auf der Erzeugung eines Spinungleichgewichts in Halbleitern. Elektrische Spininjektion von einem Ferromagneten in einen Halbleiter wurde für verschiedene Materialsysteme nachgewiesen und hohe Injektionseffizienz für einen spinpolarisierten Tunnelstrom durch eine Schottky-Barriere erreicht. Trotz dieses Fortschrittes fehlt für kohärente Spintronikbauelemente die elektrische Injektion eines phasenkohärenten Spinpaketes. Rein optisch kann ein phasenkohärentes Spinpaket einfach in einem Halbleiter mit Hilfe eines zirkular polarisierten fs-Laserpulses erzeugt werden. Phasenkohärenz bedeutet hier, dass die Spins in einem Paket mit gleicher Ausrichtung initialisiert werden, was durch die Präzession der spininduzierten Magnetisierung um ein externes Magnetfeld nachgewiesen werden kann. Die Zeitentwicklung der Spinpräzision wurde mittels zeitaufgelöster optischer Faraday-Rotation (TRFR) gemessen. Jedoch konnte bisher keine zeitaufgelöste Messung elektrischer Spininjektion und kohärenter Spinmanipulation nachgewiesen werden, obwohl dies für rein elektrische, phasensensitive Spintronikbauelemente benötig wird. In dieser Arbeit wird ein neues zeitaufgelöstes Messverfahren vorgestellt, das auf elektrischer Anregung und optischer Abfrage beruht. Als Anregung verwenden wir nanosekundenlange Spannungspulse, um elektrische, phasenkohärente Spinpakete aus einer 3,5 nm dicken epitaktischen Eisenschicht durch eine in Sperrrichtung vorgespannte Schottky-Barriere in eine 5 µm dicke n-GaAs Schicht elektrisch zu injizieren, welche eine Spindephasierungszeit > 50 ns bei 20 K aufweist. Die elektrisch injizierten Spins werden mit TRFR durch pikosekundenlange Laserpulse detektiert. Diese Methode erlaubt die Messung der spininduzierten Magnetisierung in einem Zeitintervall von bis zu 125 ns mit Pikosekunden-Auflösung. Zum ersten Mal wird dadurch Spinpräzession eines elektrisch injizierten Spinpaketes in einem transversalem Magnetfeld nachgewiesen: Die Vorzeichenabhängigkeit des TRFR Signals folgt der Hysterese der Eisenschicht, wodurch die elektrische Injektion des Spinpaketes gezeigt wird. Die Spinpräzession weist die Phasenkohärenz der elektrisch injizierten Spins nach, die in der n-GaAs Schicht beobachtet wird, was durch den charakteristischen g-Faktor für GaAs bewiesen wird. In dieser Arbeit wird ein Modell für die Zeitentwicklung der elektrischen Spininjektion durch die Schottky-Barriere vorgestellt. Im Rahmen eines einfachen Ersatzschaltbildes des Schottky-Kontakts, das aus einer Kapazität parallel zu einem Tunnelwiderstand besteht, nehmen wir an, dass der Tunnelstrom teilweise spinpolarisiert während der Verschiebungsstrom unpolarisiert ist. Dieses Modell sagt einen exponentiell gedämpften Ausläufer (~ 8 ns) des spinpolarisierten Stromes nach Abschalten des Spannungspulses durch Entladung der Kapazität voraus. Die Variation der Länge der Spannungspulse von 0.2 ns bis 11 ns ergibt eine gute Übereinstimmung des TRFR Signals als Funktion des Magnetfelds und der Beobachtungszeit mit den auf unserem Modell basierenden Simulationen. Elektrische Spininjektion mit wiederholten Spannungspulsen führt zur Interferenz injizierter Spinpakete sowie zu resonanter Spinverstärkung (RSA), wenn die Larmorfrequenz in Resonanz mit der Frequenz der Spannungspulse ist. Mit komplizierteren Abfolgen von Spannungspulsen wird gezeigt, wie ein Spannungspuls eine resonant aufpolarisierte Magnetisierung durch destruktive Interferenz auslöscht. Zusätzlich können die Spannungspulse mit einer Gleichspannung überlagert werden, die zu einem kontinuierlichen spinpolarisierten Strom durch die Probe führt. Dies verändert das dynamische Gleichgewicht des Elektron- und des Kernspinsystems auf einer Sekundenzeitskala. Die Kernpolarisation verursacht ein effektives Magnetfeld von einigen mT, das die Frequenz der Lamorpräzession der Elektronenspins verändert, was anhand der Overhauser-Verschiebung der RSA-Peaks beobachtet wird. Durch die Polarisation der Gleichspannung wird dabei festgelegt, ob die Präzession der kohärenten Spinpakete erhöht oder erniedrigt wird. Die dynamische Kernpolarisation (DNP) wird durch die resonante Depolarisation des Kernsystems mittels einer Radiofrequenz-Spule isotopensensitiv bestätigt. Polarisations- und Depolarisationszeiten (~ 450 s) werden bestimmt und mit der durch optische Spinanregung induzierten DNP verglichen, die sich als schneller herausstellt (~ 10 s).

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