Collective electronic excitations in two-dimensional systems with spin-orbit interaction
Final Report Abstract
Gegenstand des Projekts war die Untersuchung der Spin-Bahn-Wechselwirkung in zweidimensionalen Elektronensystem in GaAs-AlGaAs-Einzel-Quantenwells, in denen die Bedingung für die persistente Spinhelix realisiert ist. Hierzu wurden Ramanexperimente an Intrasubband-Spindichteanregungen durchgeführt und analysiert. Die Experimente erfolgten in einem speziellen Aufbau in einem Spli-Coil- Magnetkryostaten, für den ein Probenhalter konstruiert wurde, welcher unterschiedliche Konfigurationen des Magnetfelds in Bezug auf die Richtung des Impulsübertrags in den Ramanexperimenten zulässt. Ein Probenrotator erlaubt die insitu Rotation der Proben in den Experimenten und damit Experimente mit einem Impulsübertrag in unterschiedliche Kristallrichtungen. Es wurden detaillierte Experimente an zwei hochspezialisierten Proben durchgeführt, in denen jeweils die Spinhelix-Bedingung mit gleichem bzw. entgegengesetztem Vorzeichen des Rashba- und Dresselhaus-Parameters vorliegt. Mittels der Ramanexperimente wurde die Spinaufspaltung an der Fermienergie in Abhängigkeit von der Kristallrichtung in der Ebene des zweidimensionalen Elektronensystems bestimmt. Für die beiden Proben konnte die mit der Spinhelix einhergehende, extreme Anisotropie der Spinaufspaltung gezeigt werden. Weiter wurden Serien mit äußeren Magnetfeldern durchgeführt, die ebenfalls in der Ebene des zweidimensionalen Elektronensystems lagen und so vektoriell zu den Spin-Bahn-Feldern hinzuaddiert werden. Diese Experimente erlaubten die direkte quantitative Bestimmung der internen Spin-Bahn-Felder. Es ergab sich ein Wert von ca. 18 T für die maximalen internen Felder in den Proben. Alle Experimente konnten im Einteilchenbild der Spin-Bahn-Wechselwirkung nachvollzogen und analysiert werden. Es wurden keine Hinweise auf eine kollektive Verstärkung der Spin-Bahn-Felder in den Intrasubband-Spindichteanregungen gefunden.
Publications
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Magneto-Raman spectroscopy of spin-density excitations in (001)-grown GaAs-AlGaAs quantum wells in the regime of the persistent spin helix, Spintronics XI, Proc. SPIE 10732, 1073219 (2018)
S. Gelfert, C. Frankerl, C. Reichl, D. Schuh, G. Salis, W. Wegscheider, D. Bougeard, T. Korn, and C. Schüller
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Inelastic light scattering by intrasubband spin-density excitations in GaAs-AlGaAs quantum wells with balanced Bychkov-Rashba and Dresselhaus spin-orbit interaction: Quantitative determination of the spin-orbit field, Phys. Rev. B 101, 035427 (2020)
S. Gelfert, C. Frankerl, C. Reichl, D. Schuh, G. Salis, W. Wegscheider, D. Bougeard, T. Korn, and C. Schüller
