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Schreiber, Lars Reiner

Time-resolved electrical injection of coherent spin packets through a Schottky barrier

Zeitaufgelöste elektrische Injektion kohärenter Spinpakete durch eine Schottky-Barriere

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Kurzfassung (Deutsch)

In den letzten Jahren wurde die Manipulation des Spinfreiheitsgrades des Elektrons für die Informationsverarbeitung im Rahmen des neuen Gebietes der Spinelektronik erforscht. Künftige Spinelektronikbauteile beruhen auf der Erzeugung eines Spinungleichgewichts in Halbleitern. Elektrische Spininjektion von einem Ferromagneten in einen Halbleiter wurde für verschiedene Materialsysteme nachgewiesen und hohe Injektionseffizienz für einen spinpolarisierten Tunnelstrom durch eine Schottky-Barriere erreicht. Trotz dieses Fortschrittes fehlt für kohärente Spintronikbauelemente die elektrische Injektion eines phasenkohärenten Spinpaketes. Rein optisch kann ein phasenkohärentes Spinpaket einfach in einem Halbleiter mit Hilfe eines zirkular polarisierten fs-Laserpulses erzeugt werden. Phasenkohärenz bedeutet hier, dass die Spins in einem Paket mit gleicher Ausrichtung initialisiert werden, was durch die Präzession der spininduzierten Magnetisierung um ein externes Magnetfeld nachgewiesen werden kann. Die Zeitentwicklung der Spinpräzision wurde mittels zeitaufgelöster optischer Faraday-Rotation (TRFR) gemessen. Jedoch konnte bisher keine zeitaufgelöste Messung elektrischer Spininjektion und kohärenter Spinmanipulation nachgewiesen werden, obwohl dies für rein elektrische, phasensensitive Spintronikbauelemente benötig wird. In dieser Arbeit wird ein neues zeitaufgelöstes Messverfahren vorgestellt, das auf elektrischer Anregung und optischer Abfrage beruht. Als Anregung verwenden wir nanosekundenlange Spannungspulse, um elektrische, phasenkohärente Spinpakete aus einer 3,5 nm dicken epitaktischen Eisenschicht durch eine in Sperrrichtung vorgespannte Schottky-Barriere in eine 5 µm dicke n-GaAs Schicht elektrisch zu injizieren, welche eine Spindephasierungszeit > 50 ns bei 20 K aufweist. Die elektrisch injizierten Spins werden mit TRFR durch pikosekundenlange Laserpulse detektiert. Diese Methode erlaubt die Messung der spininduzierten Magnetisierung in einem Zeitintervall von bis zu 125 ns mit Pikosekunden-Auflösung. Zum ersten Mal wird dadurch Spinpräzession eines elektrisch injizierten Spinpaketes in einem transversalem Magnetfeld nachgewiesen: Die Vorzeichenabhängigkeit des TRFR Signals folgt der Hysterese der Eisenschicht, wodurch die elektrische Injektion des Spinpaketes gezeigt wird. Die Spinpräzession weist die Phasenkohärenz der elektrisch injizierten Spins nach, die in der n-GaAs Schicht beobachtet wird, was durch den charakteristischen g-Faktor für GaAs bewiesen wird. In dieser Arbeit wird ein Modell für die Zeitentwicklung der elektrischen Spininjektion durch die Schottky-Barriere vorgestellt. Im Rahmen eines einfachen Ersatzschaltbildes des Schottky-Kontakts, das aus einer Kapazität parallel zu einem Tunnelwiderstand besteht, nehmen wir an, dass der Tunnelstrom teilweise spinpolarisiert während der Verschiebungsstrom unpolarisiert ist. Dieses Modell sagt einen exponentiell gedämpften Ausläufer (~ 8 ns) des spinpolarisierten Stromes nach Abschalten des Spannungspulses durch Entladung der Kapazität voraus. Die Variation der Länge der Spannungspulse von 0.2 ns bis 11 ns ergibt eine gute Übereinstimmung des TRFR Signals als Funktion des Magnetfelds und der Beobachtungszeit mit den auf unserem Modell basierenden Simulationen. Elektrische Spininjektion mit wiederholten Spannungspulsen führt zur Interferenz injizierter Spinpakete sowie zu resonanter Spinverstärkung (RSA), wenn die Larmorfrequenz in Resonanz mit der Frequenz der Spannungspulse ist. Mit komplizierteren Abfolgen von Spannungspulsen wird gezeigt, wie ein Spannungspuls eine resonant aufpolarisierte Magnetisierung durch destruktive Interferenz auslöscht. Zusätzlich können die Spannungspulse mit einer Gleichspannung überlagert werden, die zu einem kontinuierlichen spinpolarisierten Strom durch die Probe führt. Dies verändert das dynamische Gleichgewicht des Elektron- und des Kernspinsystems auf einer Sekundenzeitskala. Die Kernpolarisation verursacht ein effektives Magnetfeld von einigen mT, das die Frequenz der Lamorpräzession der Elektronenspins verändert, was anhand der Overhauser-Verschiebung der RSA-Peaks beobachtet wird. Durch die Polarisation der Gleichspannung wird dabei festgelegt, ob die Präzession der kohärenten Spinpakete erhöht oder erniedrigt wird. Die dynamische Kernpolarisation (DNP) wird durch die resonante Depolarisation des Kernsystems mittels einer Radiofrequenz-Spule isotopensensitiv bestätigt. Polarisations- und Depolarisationszeiten (~ 450 s) werden bestimmt und mit der durch optische Spinanregung induzierten DNP verglichen, die sich als schneller herausstellt (~ 10 s).

Kurzfassung (Englisch)

During the last few years, the manipulation of the electron’s spin degree of freedom for information processing was explored in the new field of spintronics. Future spintronic devices rely on the generation of a spin imbalance in a semiconductor. Electrical spin injection from a ferromagnet into a semiconductor has been demonstrated for various material systems and recently even high injection efficiency for electron spins has been achieved by exploiting a polarized current tunnelled through a Schottky barrier. Despite this progress, an essential ingredient for coherent spintronic devices is still missing: electrical injection of a phase-coherent spin packet. With all-optical time-resolved methods a phase-coherent spin packet can be readily oriented in a semiconductor using circularly polarized laser pulses. Phase-coherence means that the spins within the packet are initially generated with the same orientation, which can be proven by the precession of the spin induced net magnetization about an external magnetic field. The evolution of the spin precession was probed by means of time-resolved optical Faraday rotation (TRFR). However, no time-resolved measurement of electrical spin injection and coherent spin manipulation has been successfully performed yet, although all-electrical phase-sensitive spintronic devices are aimed at. Here, we introduce a novel time-resolved technique based on electrical pumping and optical probing. As a pump we apply nanosecond voltage pulses in order to electrically inject phase-coherent spin packets from a 3.5 nm thick epitaxially grown Fe injector layer through a reverse biased Schottky barrier into a 5 µm thick bulk n-GaAs layer, which exhibits spin dephasing times exceeding 50 ns at 20 K. The electrically injected spins are probed by TRFR using a picosecond pulsed probe laser, which is phase-locked to the voltage pulses. This technique allows measuring the net magnetization of electrically injected spins in a time-interval of 125 ns with picosecond resolution. For the first time, spin precession of electrically injected spin packets is obtained in a transverse magnetic field as is evident from the following observations: Firstly, the sign-dependence of the TRFR angle follows the Fe magnetization hysteresis loop, which proves electrical injection of the spin packet. Secondly, spin precession demonstrates the phase-coherence of the electrically injected spins probed in the n-GaAs layer as confirmed by the characteristic effective g-factor. We present a model for the time-evolution of the electrical spin injection through a Schottky barrier. Applying an equivalent network of the Schottky junction that consists of a capacitance parallel to a resistance, we assume the tunnel current to be partially spin polarized, while the displacement current is unpolarized. These assumptions predict an exponentially damped tail (~ 8 ns) of the spin polarized current after the voltage pulse, which corresponds to the discharging of the capacitance. Changing the voltage pulse width in a range from 0.2 ns to 11 ns, the TRFR signal as a function of the magnetic field and the pump-probe delay matches simulations based on the model. The result points to the speed limitation of a Schottky junction for electrical spin injection, which has to be taken into account for the design of high-frequency spintronic devices. Electrical injection by repetitive voltage pulses leads to interference of the injected spins yielding resonant spin amplification (RSA), if the Larmor frequency is in resonance with the pump repetition frequency. Sophisticated pulse patterns demonstrate, how a voltage pulse destructively interferes with a resonantly built up spin ensemble. Moreover, the voltage pulses can be superimposed with a dc-bias that leads to a constant flow of polarized carriers through the sample. This alters the dynamic equilibrium of both the electron and the nuclear spin systems on a slow time scale exceeding seconds. The nuclear polarization gives rise to an effective nuclear magnetic field of several mT, which alters the Larmor precession frequency as observed by an Overhauser shift of the RSA peaks. The sign of the dc-voltage determines, whether the precession frequency of the phase-coherent spin packets is speeded up or slowed down. The dynamic nuclear polarization (DNP) is confirmed by resonant depolarisation of the nuclear system at the characteristic frequencies using a radio-frequency coil. Polarization and depolarization times (~ 450 s) are determined and compared to the DNP induced by optical spin pumping, which turned out to be faster (~ 10 s).

SWD-Schlagwörter: Magnetoelektronik , Gaas , Pump-Probe-Technik , Spinrelaxation , Kohärenz , Optische Messung , Hochfrequenz , Schottky-Kontakt , Magnetische Kernreso
Freie Schlagwörter (deutsch): Spininjektion , Spintronik , Kernspinpolarisation , Spinverstärkung , Faraday Rotation
Freie Schlagwörter (englisch): electrical spin injection , time-resolved Faraday rotation , spintronics , nuclear polarization , resonant spin amplification
PACS - Klassifikation: 85.75.Hh , 33.35.+r , 73.30.+y , 85.75.-d , 78.47.J-
Institut: Lehrstuhl für Experimentalphysik II A und II. Physikalisches Institut (N.N.) [132110]
Fakultät: 01 Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften
Hochschule: RWTH Aachen
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Güntherodt, Gernot (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 07.03.2008
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 02.06.2008


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