Spin Eigenschaften von eingeschränkten Elektronen

Wir haben kürzlich auf eine außerordentlich effiziente Möglichkeit hingewiesen, die Rotation von Spins (also des magnetischen Moments) von Elektronen in Silizium Quantentopfstrukturen anzuregen, und zwar über einen angelegten elektrischen Strom. Der zugrunde liegende Mechanismus ist das Strom-induzierte Bychkov-Rashba (BR) Feld, das von der Spin-Bahn Wechselwirkung in Systemen mit niedrigerer als Spiegelsymmetrie auftritt. Bei einseitig modulationsdotierten Si Quantentöpfen rührt das BR Feld vom elektrischen Feld der geladenen Donatoren her und verursacht auch Spin-Dekohärenz und -Relaxation, wie von uns gezeigt wurde. Das BR Feld verschiebt 1.) die Spin-Resonanz, wenn ein Gleichstrom angelegt wird und 2) verursacht Spin- Übergänge bei Strömen im Mikrowellenfrequenzbereich. Wir erwarten um Größenordnungen geringere Mikrowellenleistung als bei der üblichen magnetischen Dipolanregung, um denselben Effekt zu erzielen. Wir planen nun daher in diesem Projekt, diesen Effekt quantitative zu erfassen, ihn auszunützen, um Spin-Resonanz in Si Nanostrukturen zu untersuchen, und ihn auch bei anderen Materialien, wie GaN und Graphen, anzuwenden. Neben der Verwendung von Mikrowellenresonatoren planen wir auch, die Mikrowellen über eine Stripline - Geometrie der Probe zuzuführen, bzw. Mikroresonatoren aufzubauen. Die Spin-Resonanz soll auch elektrisch über die Niederfrequenzleitfähigkeit nachgewiesen werden um so die in Resonatoren limitierende Integralempfindlichkeit zu umgehen und damit auch Nanostrukturen, wie Quantendrähte, untersuchen zu können. Wir werden auch die Möglichkeit einer elektrischen Dipolanregung in Quantenpunkten untersuchen. Die Untersuchungen werden auch nach dem Spin-Echo Verfahren erfolgen, um Spin-Manipulation zu demonstrieren und um Dekohärenz- und Relaxation untersuchen zu können. Mit dieser neuen Anregungsmethode können wir ESR Untersuchungen auch auf tiefe Temperaturen und variable Frequenzen ausdehnen. Derartige Untersuchungen sind in konventionellen ESR Experimenten nur schwer durchführbar wegen des großen Resonators, der üblicherweise für eine einzige Frequenz konstruiert ist. Frequenzabhängige Untersuchungen im Übergangsbereich von kleinem zu großem ct sollen durchgeführt werden, um unsere Erklärung für die beobachtete Dyson-artige Linienform zu untermauern. Tieftemperaturexperimente werden benötigt, um den Effekt der Spin-Polarisation auf die sogenannte 0.7 Anomalie in der Leitfähigkeit von Quantendrähten und auch um die valley-orbit Resonanz in Si Quantenstrukturen untersuchen zu können.

Elektronen besitzen neben ihrer Ladung auch ein magnetisches Moment, bedingt durch ihren "Spin". Damit sind Elektronen auch so etwas wie die kleinste vorstellbare Kompassnadel. Aus quantenmechanischen Gründen kann sich diese nur parallel oder antiparallel zu einem Magnetfeld einstellen. Damit liegt es nahe, diese Eigenschaft für die Realisierung einer binären logischen Einheit, eines "bit`s" zu nützen. Ein Vorteil wäre, dass Elektronen nicht, wie üblich, zwischen zwei "Taschen" bewegt werden müssten, um den Wert zB von 0 auf 1 zu ändern, was Zeit und Energie erfordert. Das ist eins der Motive, weltweit über eine Spin-basierende Elektronik die "Spintronik"- nachzudenken. Es sind allerdings noch viele Probleme bis zur praktischen Realisierung solcher Bauelemente zu lösen. Eine der ersten Fragen ist, wie man den Spin effizient einstellen kann und wie lange die Information erhalten werden kann Fragen, die in diesem Projekt behandelt wurden. In der Elektronen-Spin-Resonanz wird der Spin durch ein Mikrowellenmagnetfeld manipuliert. Ein Ergebnis dieses Projektes ist, dass der Spin um Größenordnungen schneller und effizienter durch ein hoch-frequentes elektrisches Feld umgeklappt werden kann. Dieser Effekt resultiert aus dem sog. Rashba-Feld, das in Proben ohne Spiegelsymmetrie auftritt. Dort sind der Spin und die Geschwindigkeit nicht unabhängig: aus der Geschwindigkeit resultiert ein Drehmoment auf den Spin. Eine ähnliche Kopplung tritt für sich sehr schnell bewegende, "relativistische" freie Elektronen auf, was Erwin Schrödinger 1930 bereits kurz nach der Veröffentlichung der Dirac Gleichung diskutierte. Sein Schluss war, dass das kräftefrei fliegende relativistische Elektron eine hochfrequente "Zitterbewegung" senkrecht zu seiner Flugrichtung ausführt (worauf auch sein magnetisches Moment zurückgeführt wird). Die Frequenz dieser Bewegung ist aber so groß, die Amplitude so klein, dass eine direkte Beobachtung nicht möglich scheint. In diesem Projekt wird u.a. gezeigt, dass in asymmetrischen Halbleiterschichten eine ähnliche Kopplung auftritt, die Frequenz aber derart reduziert ist, dass ein Nachweis möglich wurde. In diesem Projekt wurde auch gezeigt, dass (1) Kohlenstoff-Nanoröhrchen bei tiefen Temperaturen ferromagnetisch (fm) werden unerwartet, da sie keine Metalle enthalten. Leitungselektronen verstärken diesen FM. Ferromagnetische Resonanz (2) wurde benützt um winzige fm Ausscheidungen nachzuweisen ein wichtiges Hilfsmittel auf der Suche nach fm Halbleitern. In einer Mischung eines fm- und eines ferroelektrischen Halbleiters, Ge1-x Mn x Te, wurde gefunden (3), dass eine ferroelektrische Verzerrung des Kristallgitters die Magnetisierungsrichtung verändern kann, und somit die Magntisierung durch Anlegen eines elektrischen Feldes manipuliert werden kann. Schließlich fanden wir eine verblüffend einfache Methode (4), um Nanokristalle mit nanometer-Genauigkeit auf einem Substrat zu positionieren. So konnten wir mit einem "Magnetkraftmikroskop" demonstrieren, dass ein Datenspeicher aus magnetischen Nanokristallen mit einer Kapazität von bis zu 10 Terrabit/inch2 aufgebaut werden kann.