Spin-Eigenschaften in niedrig-dimensionalen Halbleitersystemen

Die stürmische Weiterentwicklung der Mikroelektronik wird sich in absehbarer Zeit verlangsamen müssen, wenn physikalische Grenzen, wie insbesondere bei den Bauelementgrößen, über- bzw. unterschritten werden. Es werden daher für spezielle Anwendungen alternative Konzepte untersucht und da, unter anderen, die Verwendung des magnetischen Moments des Elektrons (charakterisiert durch seinen Spin) anstelle seiner derzeit verwendeten Ladung. Von dieser neuen, "Spintronics" genannten Elektronik erwartet man Vorteile bei der Verlustleistung und höhere Geschwindigkeit, da eine logische Operation durch Umdrehen eines Spins realisiert wird anstelle der Verschiebung des Elektrons über makroskopische Distanzen, was natürlich Reibungsenergie mit sich bringt. Außerdem könnte Spin-Information für lange Zeit magnetisch ohne Versorgung mit elektrischer Energie gespeichert werden. Weiters wird die Idee eines "Quanten-Computers" diskutiert und dessen Realisierung mit Hilfe von Spins und ihrer Wechselwirkung. Man erwartet, dass derartige Computer für spezielle Probleme geeignet sind, die derzeit nicht mit akzeptablem Zeitaufwand gelöst werden können. Für ein Spintronics Bauelement muß man einen bestimmten Anfangszustand einstellen können, die Wechselwirkung mit anderen Spins starten und den Endzustand nach einiger Zeit ablesen können. Eine Voraussetzung dafür ist, dass die Spin-Information nicht durch spontane Änderungen verloren geht. In dem vorliegenden Projekt werden unsere Erfahrungen mit der Spin-Resonanz (ESR) von Elektronen in Silizium Quanten-Töpfen genützt, um die Eignung von Si-Strukturen für Spintronics Bauelemente zu untersuchen. Elektronen in einer 10 nm breiten Schicht haben eine Spin-Lebensdauer von wenigen Mikrosekunden und wir konnten nachweisen, dass diese Lebensdauer durch elektrische Potentialgradienten hervorgerufen wird. Wenn es gelingt, letztere zu vermeiden, dann erwarten wir eine Lebensdauer von 50-100 s. Die Zeit, die für das kontrollierte Umdrehen eines Spins durch ESR Impulse benötigt wird, beträgt etwa 10 ns. Für Quantenpunkte sollte die Lebensdauer im Millisekundenbereich liegen. Das Verhältnis der beiden Zeitkonstanten sollte daher besser liegen als bei jedem anderen Halbleitermaterial. In diesem Projekt wird also 1) der Effekt von externen Feldern und lateralem Einschluß von Elektronen in einem Quantenpunkt auf die Spineigenschaften, und zwar auf die Spin- Relaxationsmechanismen und den g-Faktor, untersucht. Wir erwarten, dass beide Größen vom Grad des Einschlusses abhängen, der durch externe "Gate"- Spannungen eingestellt werden kann. Dieser Effekt wird eine Einstellung des g-Faktors erlauben und damit die Adressierung eines einzelnen Quantenpunktes in einem größeren Ensemble. Weiters werden wir Möglichkeiten zur Bestimmung des Spinzustandes eines Quantenpunktes untersuchen.

Die stürmische Weiterentwicklung der Mikroelektronik wird sich in absehbarer Zeit verlangsamen müssen, wenn physikalische Grenzen, wie insbesondere bei den Bauelementgrößen, über- bzw. unterschritten werden. Es werden daher für spezielle Anwendungen alternative Konzepte untersucht und da, unter anderen, die Verwendung des magnetischen Moments des Elektrons (charakterisiert durch seinen Spin) anstelle seiner derzeit verwendeten Ladung. Von dieser neuen, "Spintronics" genannten Elektronik erwartet man Vorteile bei der Verlustleistung und höhere Geschwindigkeit, da eine logische Operation durch Umdrehen eines Spins realisiert wird anstelle der Verschiebung des Elektrons über makroskopische Distanzen, was natürlich Reibungsenergie mit sich bringt. Außerdem könnte Spin-Information für lange Zeit magnetisch ohne Versorgung mit elektrischer Energie gespeichert werden. Weiters wird die Idee eines "Quanten-Computers" diskutiert und dessen Realisierung mit Hilfe von Spins und ihrer Wechselwirkung. Man erwartet, dass derartige Computer für spezielle Probleme geeignet sind, die derzeit nicht mit akzeptablem Zeitaufwand gelöst werden können. Für ein Spintronics Bauelement muß man einen bestimmten Anfangszustand einstellen können, die Wechselwirkung mit anderen Spins starten und den Endzustand nach einiger Zeit ablesen können. Eine Voraussetzung dafür ist, dass die Spin-Information nicht durch spontane Änderungen verloren geht. In dem vorliegenden Projekt werden unsere Erfahrungen mit der Spin- Resonanz (ESR) von Elektronen in Silizium Quanten-Töpfen genützt, um die Eignung von Si-Strukturen für Spintronics Bauelemente zu untersuchen. Elektronen in einer 10 nm breiten Schicht haben eine Spin-Lebensdauer von wenigen Mikrosekunden und wir konnten nachweisen, dass diese Lebensdauer durch elektrische Potentialgradienten hervorgerufen wird. Wenn es gelingt, letztere zu vermeiden, dann erwarten wir eine Lebensdauer von 50-100 s. Die Zeit, die für das kontrollierte Umdrehen eines Spins durch ESR Impulse benötigt wird, beträgt etwa 10 ns. Für Quantenpunkte sollte die Lebensdauer im Millisekundenbereich liegen. Das Verhältnis der beiden Zeitkonstanten sollte daher besser liegen als bei jedem anderen Halbleitermaterial. In diesem Projekt wird also 1) der Effekt von externen Feldern und lateralem Einschluß von Elektronen in einem Quantenpunkt auf die Spineigenschaften, und zwar auf die Spin- Relaxationsmechanismen und den g-Faktor, untersucht. Wir erwarten, dass beide Größen vom Grad des Einschlusses abhängen, der durch externe "Gate"- Spannungen eingestellt werden kann. Dieser Effekt wird eine Einstellung des g-Faktors erlauben und damit die Adressierung eines einzelnen Quantenpunktes in einem größeren Ensemble. Weiters werden wir Möglichkeiten zur Bestimmung des Spinzustandes eines Quantenpunktes untersuchen.