Chirale Phononen für Spin-Kontrolle in Halbleitern

• Antragstellerin: Dr. Olga Ken
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529684269

Zirkular polarisierte (chirale) Phononen sind eines der grundlegenden Elemente bei der Verwirklichung nichttrivialer quantenmechanischer Phänomene. Der Phononendrehimpuls entsteht in Systemen, in denen die räumliche oder zeitliche Umkehrsymmetrie gebrochen ist, zum Beispiel in chiralen Materialien oder Ferromagneten. Der Phononendrehimpuls tritt auch an der Oberfläche eines Halbleiters in Form der akustischen Rayleigh-Oberflächenwelle (SAW) auf, die eine elliptisch polarisierte Verschiebung hat. Ihr Drehimpuls liegt in der Ebene der Oberfläche. Die Wechselwirkungen mit chiralen Phononen sind sehr interessant, da chirale Phononen über die Spin-Phonon-Wechselwirkung (Bir-Pikus) an die Spins der Ladungsträger koppeln können. Dieses Projekt konzentriert sich auf die Kontrolle von Lochspins im Valenzband eines nichtmagnetischen GaAs-Halbleiters durch Spin-Orbit-Kopplung mit zirkular polarisierten (chiralen) Phononen. Es werden zwei Mechanismen der Spin-Phonon-Wechselwirkung untersucht, nämlich der AC-Phonon-Stark-Effekt und die Phononorientierung von Lochspins. Der AC-Phonon-Stark-Effekt wird zur selektiven Modulation der Energie von Lochspinniveaus in einer AlGaAs/GaAs-Heterostruktur genutzt. Die Orientierung der Phononen führt zu einer Umverteilung der Lochpopulation auf den Spinniveaus aufgrund der spinabhängigen Absorption der resonanten Phononen. Das Anlegen eines externen Magnetfeldes ermöglicht es, die Zeeman-Aufspaltung der Loch-Spinniveaus in die Resonanz mit der Phononenenergie hinein und aus ihr heraus zu steuern. Dadurch können wir zwischen den beiden untersuchten Mechanismen unterscheiden. Chirale Phononen werden in Form von akustischen Rayleigh-Oberflächenwellen erzeugt, indem ein nichtmagnetisches Metallgitter, das auf der AlGaAs/GaAs-Heterostruktur aufgebracht ist, mit fs-Laserpulsen gepumpt wird. Der Nachweis erfolgt durch optische Orientierung der Ladungsträger, zeitaufgelöste Photolumineszenz und Pump-Probe-Kerr-Rotationsmessungen sowie Brillioun-Streuungsspektroskopie mit räumlicher Auflösung im Mikrometerbereich. Die erzielten Ergebnisse werden wesentlich zur Entwicklung von Methoden der Phononenpolarisationsspektroskopie beitragen, die ein leistungsfähiges experimentelles Werkzeug in der Spinphysik von Halbleitern werden kann.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle