Spinfilter-Kaskaden in InAs-Heterostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Merkt
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 156997035

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Aus InAlAs/InAs/InGaAs-Heterostrukturen wurden ballistische Quantenpunktkontakte und zweistufige Spinfilterkaskaden ohne ferromagnetische Kontakte hergestellt. Die Leitwerte der InAs-Kanäle konnten in beiden Proben mit Sidegates und mit Topgates in einem weiten Bereich der eindimensionalen Elektronendichte gesteuert werden. Sie zeigen ausgeprägte, spinaufgelöste Leitwertstufen. Die hohe Spin-Bahn-Wechselwirkung und der starke Spin-Hall-Effekt in den InAs-Kanälen erzeugen am Ausgang der ersten Stufe der Spinfilterkaskade eine Spinpolarisation, die mit der zweiten Stufe rein elektrisch als Differenz der Leitwerte durch die beiden Ausgänge der Kaskade nachgewiesen wird. Die Spinpräzessionslänge konnte mit äußeren Magnetfeldern abgestimmt werden. Oszillationen der Leitwerte der Spinfilterkaskaden in einem Magnetfeld können als erste Belege für die Zitterbewegung in Halbleitern angesehen werden, die von Schrödinger für freie relativistische Elektonen vorhergesagt wurde. Das Vorhaben lieferte wichtige Erkenntnisse zur Spin-Bahn-Wechselwirkung niedrigdimensionaler Elektronensysteme in Halbleiter-Nanostrukturen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• "Cascade of Y-shaped spin filters in InGaAs/InAs/InGaAs quantum wells" J. Appl. Phys. 104, 066106-1 – 066106-3 (2008)
  A. W. Cummings, R. Akis, D. K. Ferry, J. Jacob, T. Matsuyama, U. Merkt, and G. Meier
  
• "Generation of highly spin-polarized currents in cascaded InAs spin filters" J. Appl. Phys. 105, 093714-1 – 093714-4 (2009)
  J. Jacob, G. Meier, S. Peters, T. Matsuyama, U. Merkt, A. W. Cummings, R. Akis, and D. K. Ferry
  
• "InAs spin filters based on the spin-Hall effect" in D. Heitmann, editor, Quantum Materials – Lateral Semiconductor Nanostructures, Hybrid Systems and Nanocrystals (Nanoscience and Technology) pages 303-326. Springer, Heidelberg, 2010
  J. Jacob, T. Matsuyama, G. Meier, and U. Merkt
  
• "Direct current-biased InAs spin-filter cascades" J. Appl. Phys. 112, 013706-1 – 013706-8 (2012)
  J. Jacob, H. Lehmann, U. Merkt, S. Mehl, and E. Hankiewicz
  
• "Quantized conductance and evidence for zitterbewegung in InAs spin filters" Appl. Phys. Lett. 102, 212405-1 – 212405-4 (2013)
  T. Benter, H. Lehmann, T. Matsuyama, W. Hansen, Ch. Heyn, U. Merkt, and J. Jacob
  
• "Spin-resolved conductance quantization in InAs" Semiconductor Science and Technology 29, 075010-1 – 075010-6 (2014)
  H. Lehmann, T. Benter, I. von Ahnen, J. Jacob, T. Matsuyama, U. Merkt, U. Kunze, A. D. Wieck, D. Reuter, Ch. Heyn, and W. Hansen