Exziton-Spin-Dynamik in verdünnten magnetischen Halbleiter-Quantenfilmen

• Antragsteller: Professor Dr. Vollrath Martin Axt
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316976768

In diesem Projekt soll eine mikroskopische, quantenkinetische Theorie für die Spin-Dynamik in verdünnten magnetischen Halbleiter-Nanostrukturen entwickelt werden. Die Theorie soll Korrelationen berücksichtigen, die sowohl aufgrund der Austausch-Kopplung mit magnetischen Dotier-Atomen entstehen als auch aufgrund der Coulomb-Wechselwirkung, die insbesondere exzitonische Korrelationen hervorruft. Die hier betrachteten technologisch interessanten Systeme sind vielversprechend u.a. im Hinblick auf innovative Anwendungen, die auf der Nutzung von Korrelationen und quantenkohärenten dynamischen Phänomenen basieren. Dies gilt u.a. für Entwicklungen in der Informationstechnologie, die eine kohärente Spin-Kontrolle erfordern. Grundlage für künftige Fortschritte auf diesem Gebiet ist ein vertieftes Verständnis der Spin-Dynamik, das eine Theorie erfordert, die über die bisher üblichen Beschreibungsstufen hinausgeht. Als erste Anwendung der neuen Theorie sollen quantenkinetische Signaturen in der Spin-Dynamik exzitonischer Anregungen in Quantenfilmen identifiziert werden. Diese Studien vertiefen das Verständnis der Spin-Relaxation und sollen auch Aufschluss geben, in wie weit die Spin-Relaxation von Quantenkohärenzen geprägt ist und somit von einer rein inkohärenten Relaxation abweicht, die durch Raten beschreibbar ist. In diesem Zusammenhang soll auch der Einfluss der energetischen Umverteilung zwischen verschiedenen exzitonischen Zuständen auf die Spin-Dynamik untersucht werden. Ein weiterer Untersuchungsschwerpunkt ist die Analyse des Wechselspiels von Einflüssen der Austausch-Kopplung mit magnetischen Dotier-Atomen und der Spin-Bahn Wechselwirkung optisch angeregter Ladungsträger auf die Spin-Dynamik. In verdünnten magnetischen Halbleitern dominiert typischerweise die Austausch-Kopplung. Durch Variation von Materialparametern ist es jedoch u.a. in mehr-komponentigen Verbindungshalbleitern möglich, die relative Stärke dieser Wechselwirkungen über weite Bereiche gezielt einzustellen und sogar Situationen zu realisieren, in denen beide Kopplungen vergleichbare Stärke erlangen. Studien von Anregungen freier Ladungsträger im letztgenannten Regime lassen erwarten, dass die Spin-Dynamik auch im Fall exzitonischer Anregungen qualitativ neues Verhalten zeigen wird, sobald obige Kopplungen vergleichbar werden. Hierdurch könnten sich neue Ansätze zur Spin-Kontrolle ergeben. Ein weiteres Projektziel ist es, die Möglichkeiten der Kontrolle der Spin-Dynamik durch Anregung von Exzitonen mit Licht in definierten Bahndrehimpulszuständen (twisted light) zu erforschen. Dieser Projektteil soll einen Beitrag zur Klärung der Frage liefern, in wie weit die Verwendung neuartiger Lichtquellen, wie twisted light, die einen aktuellen Forschungsschwerpunkt bilden, neue Wege der externen Manipulation von Spins ermöglichen, die sich von traditionellen Methoden, wie z.B. der Spin-Orientierung durch zirkular-polarisierte konventionelle Laseranregungen, unterscheiden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Argentinien
• Kooperationspartner: Professor Pablo Ignacio Tamborenea, Ph.D.