Bandstruktur und Transport in niederdimensionalen Lochsystemen

• Antragsteller: Dr. Paul Thomas Wenk
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 336985961

In den letzten Jahren ist das Interesse an Halbleitersystemen mit Spin-Bahn-Kopplung (SOC) in zweidimensionalen (2D) Systemen gewachsen. Das vorliegende Projekt konzentriert sich auf Lochsysteme, die aus mehreren Gründen besondere Eigenschaften aufweisen. Auf der einen Seite ist es die große effektive Masse von Löchern im Vergleich zu den Leitungsband Elektronen, welche den rein kinetische Beitrag gegenüber den SOC Termen unterdrückt; die Stärke der SOC kann dabei die in n-dotierten Systeme weit übersteigen. Auf der anderen Seite verringert der p-Wellencharakter der schweren (HH) und leichten Löcher (LH) die Hyperfeinwechselwirkung des Ladungsträgerspins mit dem des Kerns. Dies ermöglicht lange Spinrelaxations-(SR)/ Dephasierungs-Zeiten. All diese Eigenschaften ermöglichen eine sehr effektive Manipulation des Spins im Halbleiter. Der vorgelegte Antrag beschäftigt sich mit mehreren reizvollen Aspekten der p-dotierten Systeme. Einer davon ist die Analyse der SR in verspannten Lochsystemen mit Zinkblende (ZB) oder Wurtzit (WZ) Kristallstruktur. Das Ziel ist es, diese SR zu minimieren oder sogar persistente Spinzustände zu finden, was wesentlich in Bezug auf Anwendungen in der Spintronik ist. Ausgehend von einer allgemeinen Wachstumsrichtung der Halbleiterheterostruktur haben wir kürzlich Bedingungen für das Vorhandensein helikaler, persistenter Spinzustände in 2D ZB Elektronensystemen hergeleitet. Dies motiviert der Frage nachzugehen, ob solche Symmetrien auch in 2D Lochsystemen (2DHG) mit anderen Wachstumsrichtungen als der [001] aufzufinden sind. Die Analyse der SR ist direkt gekoppelt mit der Leitungseigenschaft des 2DHG, die wir aus der Berechnung der schwachen (Anti-) Lokalisation (WL/WAL) entnehmen. Die WL/WAL hat sich als ein wichtiges Instrument im Experiment herausgestellt, um die SOC des Materials zu analysieren. Dabei gehen wir über das Modell von Pikus et al. und Iordanskii et al. hinaus und berücksichtigen die volle Symmetrie des SOC Feldes. Um die Beziehung zw. WL/WAL und SR zu kennen, muss die Magnetoleitfähigkeit untersucht werden. Daher ist der nächste Schritt die Analyse des effektiven g-Faktors im Zeeman-Term unter Berücksichtigung der Randbedingungen und der SOC. Da der g-Faktor signifikant von der HH-LH Subbandaufspaltung abhängt, muss darüber hinaus der Effekt der Verspannung einbezogen werden, da er diese Aufspaltung modifiziert. Einen weiteren Arbeitsbereich des Antrags umfasst das Studium der Zitterbewegung in Lochsystemen, wobei nun sowohl die Verspannung des Materials als auch in k lineare Dresselhaus-SOC Terme mitberücksichtigt werden. Letztere wurden in 2DHG bisher vernachlässigt, haben sich jedoch als signifikant herausgestellt. Des Weiteren wird in realistischen Probengeometrien Wellenpaketdynamik simuliert. Die aufgestellten Modelle werden dabei die Schnittstellen in der Heterostrukturen berücksichtigen, da diese dominante Beiträge zur HH Modenaufspaltung liefern können, wie kürzlich von Durnev et al. gezeigt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Mexiko
• Mitverantwortlich: Professor Dr. John Schliemann
• Kooperationspartner: Professor Dr. Dominique Bougeard; Professor Dr. Francisco Mireles Higuera; Professor Dr. Klaus Richter