Spinrauschspektroskopie an nulldimensionalen Halbleiternanostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Oestreich
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268295520

Das zentrale Thema des vorliegenden Antrags ist die umfassende Untersuchung der Schwerlochspindynamik in einzelnen Quantenpunkten mithilfe der Spinrauschspektroskopie. Diese quantenoptische Methode hat sich in den letzten Jahren zu einem hochsensitiven und vielseitig einsetzbaren Instrument für die Untersuchung von Spin- und Ladungsträgerdynamik in Halbleiternanostrukturen entwickelt. Sie eignet sich insbesondere zur Untersuchung einzelner lokalisierter Spins unter Gleichgewichts- sowie Nichtgleichgewichtsbedingungen im Hinblick auf mögliche Anwendungen im Rahmen von Spin-Photonen-Schnittstellen und einer potentiellen Quanteninformationstechnologie. In einem ersten Schritt soll die Sensitivität der Spinrauschspektroskopie durch optische Verstärkung des Spinrauschsignals durch Homodyndetektion weiter verbessert werden. Erste erfolgreiche Experimente in atomaren Gasen zeigen eine Reduzierung der Messzeit um Größenordnungen mithilfe der optischen Verstärkung. Die Spinrauschmessungen an einzelnen positiv geladenen Quantenpunkten liefern sowohl die intrinsische longitudinale Lochspinrelaxationszeit als auch die transversale Spindekohärenzzeit. Die Spinrelaxationszeit soll in Abhängigkeit eines externen longitudinalen Magnetfeldes vermessen werden, wobei insbesondere der Bereich moderater Magnetfelder zwischen 30mT und 2T genau untersucht wird. Theoretische Betrachtungen deuten darauf hin, dass die Spinrelaxationszeit in diesem Magnetfeldbereich durch 2-Phononenprozesse bestimmt wird. Zusätzliche Messungen der magnetfeldabhängigen Spinrelaxationszeit bei verschiedenen Gittertemperaturen sollen diese Theorie überprüfen.Die Spindekohärenzzeit in den meistverwendeten (InGa)As Quantenpunkten ist typischerweise deutlich kürzer als die Spinrelaxationszeit aufgrund einer verspannungsinduzierten Mischung der Leichtloch- und Schwerlochzustände und der damit verbundenen komplexeren Hyperfeinwechselwirkung. Die Realisierung längerer Kohärenzzeiten kann unter Verwendung von nahezu verspannungsfrei gewachsenen GaAs Quantenpunkten in einem transversalen Magnetfeld erreicht werden. Die Spindekohärenzzeit in den GaAs Quantenpunkten soll in Abhängigkeit des Magnetfeldes vermessen und mit der Spindekohärenzzeit in verspannten (InGa)As Quantenpunkten verglichen werden.In Abwesenheit eines externen Magnetfeldes sind die Relaxations- und die Dekohärenzzeit des Lochspins durch die Hyperfeinwechselwirkung limitiert. Um einen tieferen Einblick in die Ladungsträger-Kernspin-Wechselwirkung zu erhalten, sollen Spinkorrelationen höherer Ordnung untersucht werden. Diese können zusätzliche Informationen liefern, die im Korrelationsspektrum 2ter Ordnung, das üblicherweise in der Spinrauschspektroskopie betrachtet wird, nicht enthalten sind. Das Korrelationsspektrum 4ter Ordnung ermöglicht unter anderem die Charakterisierung der Anisotropie der Hyperfeinwechselwirkung, welche in direktem Zusammenhang mit der Schwerloch-Leichtlochmischung im untersuchten Quantenpunkt steht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Kooperationspartner: Professor Dr. Fei Ding; Professor Dr. Mikhail Glazov, bis 3/2022; Professor Dr. Daniel Hägele