Spintronics

Schematische Seitenansicht des von Datta und Das konzipierten Feld-Effekt-Spintransistors: rot - ferromagnetische Kontakte, blau - in das 2DES injizierter Elektronenspin, der der Spin-Bahn-Kopplung unterliegt.

(Siehe: D. Grundler: "Spintronics", Physics World 15, 39 (April 2002). [PDF: click here]

 

Ausgehend von ferromagnetischen Mikro- und Nanostrukturen mit maßgeschneiderter Domänenstruktur realisieren wir Spin-Injektor/Spin-Detektor-Kontakte, die mit hochbeweglichen zwei-dimensionalen Elektronensystemen (2DES) in InAs-Heterostrukturen elektronisch gekoppelt werden. Ziel ist es, Hybridstrukturen zu realiseren, in denen ein spin-polarisierter Strom durch den Halbleiter-Bereich fließt und der Spinzustand zwischen Injektor und Detektor durch elektrische Felder gesteuert werden kann. Im besonderen wollen wir mit Hilfe des sogenannten Rashba-Effekts auf den Spin-Zustand Einfluß nehmen und dadurch einen gate-spannungsgesteuerten Magnetowiderstandseffekt erzielen. Die Idee wurde bereits Anfang 1990 von S. Datta und B. Das theoretisch formuliert, jedoch sind auch weiterhin sowohl theoretisch als auch materialwissenschaftlich interessante Fragestellungen zu klären.


Schematische Energiedispersion eines 2DES bei Spin-Bahn-Kopplung (Rashba-Effekt). Die k-abhängigen Orientierungen des "Rashba"-Magnetfelds sind als Pfeile unten angedeutet

Im Schwerpunktprogramm "Halbleiter-Spintronik" untersuchen wir die Spin-Bahn-Kopplung für Elektronen im Leitungsband mit Hilfe der Cantilever-Magnetometrie. Wir betrachten hochbewegliche 2DES in asymmetrischen Quantentrögen in InGaAs. Aufgrund des Rashba-Effekts entstehen zwei spinabhängige Fermiflächen, d.h. die Spin-Bahn-Wechselwirkung hebt die Spin-Entartung für die Leitungselektronen im Magnetfeld null auf. Bei tiefen Temperaturen führt dies zu magnetischen Quantenoszillationen, die ein charakteristisches Schwebungsmuster aufweisen. Die Magnetisierung erlaubt es, die Stärke der Spin-Bahn-Kopplung nicht-invasiv und direkt zu messen. Die Technik ist deshalb insbesondere geeignet, niedrigdimensionale Elektronensysteme wie Quantendrähte und Quantenpunkte zu untersuchen.


Aktuelles:
Die Magnetisierungsexperimente werden im SPP 1285 "Halbleiter-Spintronik" [click here] gefördert.

Siehe hierzu z.B.:
  • M. A. Wilde, D. Reuter, Ch. Heyn, A. D. Wieck, and D. Grundler:
    „Inversion-asymmetry-induced spin splitting observed in the quantum oscillatory magnetization of a two-dimensional electron system”, Phys. Rev. B 79, 125330 (2009). [abstract: click here]
  • D. Grundler: „Spintronics”, Physics World 15, 39 (April 2002). [pdf: click here]
  • A. Wittmann, C.-H. Möller, O. Kronenwerth, M. Holz, and D. Grundler: „Hybrid ferromagnet/semiconductor nanostructures: spin-valve effect and extraordinary magnetoresistance”, J. Phys.: Condens. Matter 16 (2004) S5645-S5652 (2003). [abstract: click here]
  • C.-H. Möller, Ch. Heyn, and D. Grundler: „Spin splitting in narrow InAs quantum wells with In0.75Ga0.25As barrier layers”, Appl. Phys. Lett. 83, 2181 (2003). [abstract: click here]
  • G. Meier and D. Grundler (invited): „Rashba spin-splitting and ferromagnetic electrodes on InAs”, in Festkörperprobleme/Advances in Solid State Physics 40, (Ed. B. Kramer), 295-308 (Vieweg, Braunschweig, 2000).
  • D. Grundler: „Spins im Nadelöhr” in Physikalische Blätter Nr. 9, 21 (2001).
  • D. Grundler: „Oscillatory Spin-Filtering due to Gate Control of Spin-Dependent Interface Conductance”, Phys. Rev. Lett. 86, 1058 (2001). [abstract: click here]
  • D. Grundler: „Ballistic Spin-Filter Transistor ”, Phys. Rev. B 63, 161307 (R) (2001). [abstract: click here]
  • D. Grundler: „Large Rashba-splitting in InAs quantum wells due to electron-wave function penetration into the barrier layers”, Phys. Rev. Lett. 84, 6074 (2000). [abstract: click here]