Grundlagen – Institut für Festkörperphysik – Leibniz Universität Hannover

Spinrauschspektroskopie

Die Methode der Spinrauschspektroskopie (engl.: "spin noise spectroscopy", SNS) wurde von unserer Arbeitsgruppe erstmals 2005 erfolgreich an Halbleitermaterialien angewendet. Mit Hilfe dieses neuen senitiven Werkzeuges konnte die Spinkohärenzzeit von Elektronen in n-GaAs nahezu wechselwirkungsfrei gemessen werden.

Die Spinrauschspektroskopie ist eine elegante Methode zur Enthüllung der Eigenschaften eines Systems im thermischen Gleichgewicht ohne dieses einer unnötigen Anregung aus- zusetzen. Bisher verwendete Techniken zur Untersuchung der Spinkohärenz von Ladungs- trägern, wie Photolumineszenz- oder Pump-Probe-Techniken, beruhen immer auf einer optischen Anregung oberhalb der Bandlücke. Hierdurch kann ein, wenn auch kleiner, Beitrag durch Nicht-Gleichgewichtseffekte, Erhitzungseffekte und Spindephasierungsmechanismen von Löchern niemals ausgeschlossen werden. Dieses ist sogar noch wichtiger sobald es zu der Untersuchung von Quantensystemen kleiner Größe kommt. Die Anwendung der Spinrausch- spektroskopie an Halbleitern ermöglicht uns bei tiefen Temperaturen extrem lange Spin- kohärenzzeiten zu messen, welche zuvor möglicherweise durch die oben genannten Effekte verdeckt wurden. Das Experiment kann leicht auf die Studie der Spin-Spin Korrelation in gekoppelten Quantenpunkten oder von Phasenübergängen in Halbleitern mit magnetischen Verunreinigungen ausgeweitet werden, ohne dabei einen systematischen Einfluss auf die zugrundeliegenden Effekte zu verursachen.

Schematische Darstellung eines Spinrauschspek-troskopie-Aufbaus

Die mit dieser Methode einhergehende, von Natur aus geringe Störung bewirkt zudem, dass die Spinrauschspektroskopie ebenfalls für die Untersuchung einzelner Elektron- oder Lochspins geeignet ist. Diese können sowohl in einzelnen Quantenpunkten vorliegen als auch an Verunreinigungen gebunden sein.

Typisches Spinrauschspektrum

Die experimentelle Methode (siehe obige Grafik) basiert auf der Messung des Rauschspek- trums der Faraday-Rotation bei tiefen Temperaturen und mit Hilfe von hochfrequenten Spektrum- Analysetechniken. Dabei ist keine optische Anregung oberhalb der Bandlücke notwendig.

Ein typisches, unter Einfluss eines externen Magnetfeldes aufgenommenes, Spinrausch- spektrum (siehe Grafik links) liefert die Spinlebenszeit τ_s , den g-Faktor und die Anzahl der
in der untersuchten Fläche fluktuierenden Spins N.
Zeitaufgelöste Photolumineszenz

Zirkular polarisierte Laserpulse eines modengekoppelten Ti:Saphir-Lasers werden verwendet um auf Basis der optischen Auswahlregeln eine Elektronenspinpolarisation im Leitungsband einer Halbleiterprobe (wie z.B. GaAs) zu kreieren, welche parallel zur Anregungsrichtung orientiert ist. Die Probe wird in einem mit supraleitenden Magneten ausgerüsteten Kryostaten befestigt, wodurch Magnetfelder von bis zu 9 T angelegt werden können.

Photolumineszenz (PL) wird im Zuge der Rekombination eines Elektron-Loch Paares erzeugt bei der basierend auf den optischen Auswahlregeln entweder ein links- oder rechtszirkular polarisiertes Photon emittiert wird. Im Falle spinpolarisierter Ladungsträger unterscheidet sich die Emissionswahrscheinlichkeit von links- und rechtszirkular polarisiertem Licht und folglich manifestiert sich die Elektronenspinpolarisation im Grad der optischen Polarisation der Photolumineszenz. Beide zirkular polarisierten Komponenten werden im Rahmen einer konsekutiven Messung durch eine Kombination aus Flüssigkristallretardierer (LCR) und Linearpolarisator (LP) aufgelöst. Die Dispersion der Photolumineszenz mit Hilfe eines Spek- trometers ermöglicht eine wellenlängenabhängige Auflösung und ein Streak-Kamera System nimmt die Zeitentwicklung der Photolumineszenz mit einer Auflösung von bis zu 2 ps auf.

Schematische Darstellung eines Aufbaus für zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen

(a) Streak-Kamera Aufnahmen beider Photolumineszenzkomponenten einer Messung mit angelegtem Magnetfeld (die PL-Intensität wird mittels der Farben wiedergegeben und die weißen Achsen zeigen die Zeit und Wellenlänge an). Das angelegte Magnefeld erzeugt eine Präzession der Elektronenspinpolarisation um das Magnetfeld und infolgedessen eine Intensitätsoszillation der polarisationsaufgelösten Photolumineszenz (spin quantum beats).

(b) Wellenlängen-integrierte Zeitentwicklung beider Photolumineszenzkomponenten.

(c) Berechneter Polarisationsgrad der Photolumineszenz. Die Anpassung der Daten mit
einer gedämpften Oszillation liefert den g-Faktor des Elektrons (Lamorfrequenz) und die Elektronenspinlebenszeit (exponentieller Zerfall).