Acoustically induced spin transport in (110) GaAs quantum wells [Elektronische Ressource] / von Odilon D. D. Couto

D. D. Couto Jr. Odilon

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• Publié le: 01 janvier 2008
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Extrait

Acoustically induced spin transport in (110) GaAs
quantum wells
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
Herr M.Sc.-Phys. Odilon D. D. Couto Jr.
geboren am 30.11.1979 in Guaxupé/Brasilien
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. h.c. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Lutz-Helmut Schön
Gutachter:
1. Prof. Dr. K. H. Ploog
2. Prof. Dr. O. Benson
3. Prof. Dr. F. Iikawa
eingereicht am: 26. Mai 2008
Tag der mündlichen Prüfung: 29. September 2008Abstract
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 m 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 (B ) isext
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 [110] in-plane directions. For transport
along [001], fluctuations of the internal magnetic field (B ), which arisesint
from the spin-orbit interaction associated with the bulk inversion asymme-
try of the crystal, lead to decoherence within 2 ns as the spins precess around
B . In contrast, for transport along the [110] direction, the z-component ofext
the spin polarization is maintained for times one order of magnitude longer
due to the non-zero average value of B . The dephasing anisotropy be-int
tween 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.Keywords:
semiconductor, spin transport, (110) GaAs quantum wells, surface acoustic
waves
ivZusammenfassung
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 akusti-
schen Geschwindigkeit. Auf diese Weise wird langreichweitiger Spintransport
über Distanzen > 60 m demonstriert, welche Spinlebenszeiten von mehr
als 20 ns entsprechen. Erreicht werden diese extrem langen Spinlebenszei-
ten 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 Oberflä-
chenwelleistderBir-Aronov-PikusSpinrelaxations-Mechanismussehrschwach.
(iii) Der starke Einschluss der Ladungsträger in mesoskopische Bereiche sta-
bilisiert den Spin zusätzlich.
In der vorliegenden Arbeit wird erstmals eine Anisotropie des Spintrans-
ports in einem externen Magnetfeld (B ) nachgewiesen. Hierzu wurde dieext
elektronische Spindynamik während des akustischen Transports entlang der
[001]- bzw. [110]-Richtung untersucht. Während des Transports entlang der
[001]-Richtung führt die Präzession der Elektronenspins um das fluktuie-
rende interne Magnetfeld (B ), das vom Fehlen eines Inversionszentrumsint
im GaAs-Kristallgitter herrührt, zu Spinkohärenzzeiten von etwa 2 ns. Im
Gegensatz hierzu ist beim Transport entlang der [110]-Richtung die Spin-
relaxation für Spins in Wachstumsrichtung um eine Größenordnung langsa-
mer. Grund hierfür ist die endliche mittlere Größe des internen effektiven
Magnetfeldes B für Transport entlang dieser Richtung. Die beobachteteint
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.Schlagwörter:
Halbleiter, Elektronenspinrelaxation, (110) Quantenfilmen, akustischer
Oberflächenwellen
viEsse é o lugar onde eu deveria copiar uma frase de alguém
inteligente.
viiContents
List of Figures xi
List of Tables xvii
1 Introduction 1
1.1 Spintronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Acoustically induced transport . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 (110) quantum wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 This work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Surface acoustic wave on GaAs (110) surfaces 9
2.1 Surface acoustic wave dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Mathematical description . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.2 Abbreviated notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 SAW propagation on (110) GaAs surfaces . . . . . . . . . . . 14
2.2.1 Numerical calculation of the SAW eigenmodes . . . . . 14
2.2.2 Propagation along the [001] direction . . . . . . . . . . 18
2.2.3 along the [110] direction . . . . . . . . . . 19
2.3 Band structure modulation by SAWs . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.1 Strain field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.2 Piezoelectric field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Spin relaxation in (110) GaAs quantum wells 29
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Spin-orbit interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.1 Spin-splitting in quasi-2D zinc-blende semiconductors 31
3.2.2 Sources of inversion asymmetry . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.3 Selection rules and optical orientation . . . . . . . . . 34
viii3.2.4 Spin relaxation and dephasing . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3 Spin relaxation mechanisms in (110) GaAs QWs . . . . . . . . 37
3.3.1 D’yakonov-Perel’ mechanism . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.2 Bir-Aronov-Pikus mechanism . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4 Spin dephasing under external magnetic fields . . . . . . . . . 42
3.4.1 Spindephasingduringtransportalongthe[001]direction 43
3.4.2 Spindephasingduringtransportalongthe [110] 46
3.5 SAW induced spin relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5.1 Bychkov-Rashba mechanism . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5.2 The influence of strain on spin relaxation . . . . . . . 50
3.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4 Experimental details 57
4.1 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.1 MBE growth of (110)-oriented structures . . . . . . . . 57
4.1.2 (110) GaAs quantum wells for acoustic transport . . . 59
4.1.3 ZnO sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2 SAW generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3 Optical experiments under surface acoustic wave . . . . . . . 68
5 Acoustically induced spin transport 73
5.1 Acoustic carrier transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.1.1 The role of the ZnO layer for carrier transport . . . . 75
5.1.2 Transport efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.1.3 Band gap modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 Acoustic spin transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2.1 The role of the ZnO layer for spin transport . . . . . . 82
5.3 Spin relaxation during acoustic transport . . . . . . . . . . . 84
5.3.1 Light intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3.2 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.3 Acoustic power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6 Spin manipulation during acoustic transport 96
6.1 Coherent spin transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.1.1 Spin relaxation along the [001] direction . . . . . . . . 97
6.1.2 Spinn along the [110] . . . . . . . . 99
6.2 Spin transport anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
ix6.2.1 Spin dephasing along the [001] direction . . . . . . . . 101
6.2.2 Spin along the [110] . . . . . . . . 105
7 Conclusions 109
Bibliography 113
A Parameters 127
A.1 Fundamental constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.2 Material parameters for GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Abbreviations 129
Acknowledgements 130
Selbständigkeitserklärung 132
xList of Figures
2.1 (a) Rotated reference frame oriented along the main axes of
the (110) zinc blende surface. (b) Conventiona