Spinrauschspektroskopie an nulldimensionalen Halbleiternanostrukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Hauptziel dieses Projekts war die Untersuchung der Spindynamik einzelner Quantenpunkte, mit besonderem Augenmerk auf die Spins schwerer Löcher unter verschiedenen Bedingungen wie Temperatur, externe Magnetfelder und elektrische Felder. Die anfänglichen Studien konzentrierten sich dabei nicht direkt auf Quantenpunkte, sondern auf die Spinrelaxationsdynamik von teilweise lokalisierten Elektronen in n-Typ GaAs. Diese Forschung führte zur Entwicklung eines umfassenden theoretischen Modells für die Spindynamik von Ladungsträgern in einer stark wechselwirkenden Umgebung mit unvollständiger Lokalisierung. Das theoretische Modell liefert eine exzellente Beschreibung der experimentellen Daten und sagt unter anderem voraus, dass die maximal erreichbare Elektronenspin-Relaxationszeit in n-Typ GaAs in Abwesenheit signifikanter externer Magnetfelder etwa eine Mikrosekunde beträgt. Interessanterweise tritt dieses Maximum nicht bei der niedrigsten Temperatur auf, sondern bei einer optimalen endlichen Temperatur. In einem zweiten Schritt wurde die optische Spin-Rausch-Spektroskopie auf einzelne, positiv geladene (In,Ga)As-Quantenpunkte angewandt, die im C-Band der Telekommunikation emittieren. Die Experimente enthüllten Details über Loch-Spinrelaxationszeiten und Auger-Rekombinationsprozesse in diesen potenziell technologisch relevanten Quantenpunkten. In einem dritten Schritt wurde die Loch-Spinrelaxation bei hohen Magnetfeldern in Standard-(In,Ga)As-Quantenpunkten untersucht. Bei hohen Magnetfeldern sind Spin- und Ladungsdynamik bis zu einem gewissen Grad entkoppelt und das Faraday-Fluktuationssignal der Zeeman aufgespaltenen Resonanzen wird komplexer. Die Weiterentwicklung der zugrundeliegenden Spinrauschtheorie unter Einbeziehung dieser extremen Parameter zeigte unter anderem, dass der laserinduzierte photoelektrische Effekt den Ladungsverlust des Quantenpunkts dominiert, was ein wichtiger Faktor für photonische Quantenanwendungen ist, die auf optisches Auslesen angewiesen sind. In einem letzten Schritt wurde zeitaufgelöste Resonanzfluoreszenz mit Einzelphotonendetektion eingesetzt, um mit hoher Auflösung Korrelationen zwischen Ladungs- und Spinrauschen zu untersuchen. Die Technik ermöglichte die Identifizierung von Stark-verschobenen Resonanzen und die Aufzeichnung der komplexen Ladungsdynamik benachbarter Si-Verunreinigungsstellen. Zeitlich variierende Stark-Verschiebungen, die kleiner sind als die homogene Linienbreite der Quantenpunkt-Exzitonen- und Trionenübergänge, wurden durch Auswertung der Photonenstatistiken aufgelöst. Extrem schnelle Auger-Prozesse wurden durch einen charakteristischen Hintergrund im zeitaufgelösten Resonanz-Fluoreszenzsignal identifiziert. Das Verständnis dieser komplexen Ladungsdynamik ist entscheidend für die Verbesserung der Stabilität, Zuverlässigkeit und Anwendung von QDs in der Quantentechnologie.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Doping and temperature dependence of nuclear spin relaxation in-type GaAs. Physical Review B, 102(23).
Abaspour, L.; Sterin, P.; Rugeramigabo, E. P.; Hübner, J. & Oestreich, M.
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Non-equilibrium spin noise spectroscopy of a single quantum dot operating at fiber telecommunication wavelengths. Journal of Applied Physics, 131(6).
Sun, Tian-Jiao; Sterin, P.; Lengert, L.; Nawrath, C.; Jetter, M.; Michler, P.; Ji, Yang; Hübner, J. & Oestreich, M.
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Temperature-dependent electron spin relaxation at the metal-to-insulator transition in n-type GaAs. Physical Review B, 106(12).
Sterin, P.; Abaspour, L.; Lonnemann, J. G.; Rugeramigabo, E. P.; Hübner, J. & Oestreich, M.
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"Homodyne spin noise spectroscopy and noise spectroscopy of a single quantum dot", Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2023
P. Sterin
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Two-way photoeffectlike occupancy dynamics in a single (InGa)As quantum dot. Physical Review B, 108(12).
Sterin, Pavel; Hühn, Kai; Glazov, Mikhail M.; Hübner, Jens & Oestreich, Michael
