Collaborative Research: Collective and Coherent Spin Organization in Magnetic Semiconductor Nanostructures

合作研究:磁性半导体纳米结构中的集体相干自旋组织

基本信息

  • 批准号:
    0071977
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 23.16万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2000
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2000-07-01 至 2003-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This experimental project explores collective and coherent spin behavior of electrons, local moments and nuclear spins in low dimensional systems ranging from 2D electron gases to 0D quantum dots. The experiments focus on model nanostructures fabricated from II-VI magnetic semiconductors which can be systematically tailored to modulate spin interactions between confined electronic states, magnetic ions and nuclei. The project combines development of sophisticated nanostructures and state-of-the-art spin probes having high temporal (~100 fs) and spatial (~100 nm) resolution, and high magnetic moment sensitivity (~105 Bohr magnetons). Microfabricated cantilevers will be used to search for collective spin effects in magnetic semiconductor nanostructures. Dynamical spin organization in these nanostructures will be studied using an "all-optical" magnetic resonance technique, encompassing spin precession of electrons, local moments and nuclear spins. Coherent optical spectroscopy coupled with time-resolved transport will probe dynamical spin transport in mesoscopic systems (wires) wherein the nuclear polarization is systematically varied using optical pumping. Finally, near field scanning optical resonance techniques will be developed to achieve spatially resolved magnetic resonance imaging of 2D electron spin systems. Knowledge of the collective spin response in nanostructures gained from this project may be important for coherent control of spin processes in future generations of magneto-electronic devices. Advanced technical training in solid state physics, materials science, and advanced instrumentation will prepare students for careers in academic and industrial environments.%%% This experimental condensed matter physics project explores the complex quantum mechanical behavior of electrons, magnetic atoms and nuclei in low dimensional systems ranging from "electron sheets" (2D electron gases) to "electron boxes" (0D quantum dots). The experiments use model nanostructures fabricated from a family of materials (II-VI magnetic semiconductors) in which the quantum mechanical property known as "spin" can be systematically varied. A fundamental understanding of spin transport in nanostructures may enable new technologies based on quantum mechanical interactions in the solid state. The project is comprised of a collaborative effort that combines development of sophisticated nanostructures with state-of-the-art spin probes having high temporal (~100 femtoseconds) and spatial (~100 nanometer) resolution, and high spin sensitivity (~ 105 magnetic atoms). Experiments range from ultrasensitive magnetometry, to "all-optical" spin resonance microscopy, to dynamical studies of electron spin transport. While the principal focus is on fundamental physics, knowledge gained will be important for developing concepts in the coherent control of spin processes in future generations of high speed magneto-electronic devices, with potential applications ranging from ultrafast switching to quantum computation. This research involves advanced technical training in materials physics and advanced instrumentation, and prepares students to make immediate contributions both in academic and industrial environments.
这个实验项目探讨了从2D电子气到0 D量子点的低维系统中电子、局部矩和核自旋的集体和相干自旋行为。实验的重点是模型纳米结构制造的II-VI磁性半导体,可以系统地定制,以调制受限的电子状态,磁性离子和原子核之间的自旋相互作用。该项目结合了复杂的纳米结构和最先进的自旋探针的发展,具有高时间(~100 fs)和空间(~100 nm)分辨率,以及高磁矩灵敏度(~105玻尔磁子)。微制造的电子杠杆将被用来研究磁性半导体纳米结构中的集体自旋效应。这些纳米结构中的动态自旋组织将使用“全光”磁共振技术进行研究,包括电子的自旋进动,局部矩和核自旋。相干光谱与时间分辨输运相结合将探测介观系统(线)中的动态自旋输运,其中核极化利用光泵浦系统地变化。最后,近场扫描光学共振技术将被开发,以实现二维电子自旋系统的空间分辨磁共振成像。从这个项目中获得的纳米结构的集体自旋响应的知识可能是重要的相干控制自旋过程中的未来几代的磁电器件。固态物理、材料科学和先进仪器的高级技术培训将为学生在学术和工业环境中的职业生涯做好准备。%这个实验凝聚态物理项目探索了低维系统中电子,磁性原子和原子核的复杂量子力学行为,从“电子片”(2D电子气)到“电子盒”(0 D量子点)。这些实验使用的模型纳米结构是由一系列材料(II-VI族磁性半导体)制成的,其中被称为“自旋”的量子力学性质可以系统地变化。对纳米结构中自旋输运的基本理解可能会使基于固态量子力学相互作用的新技术成为可能。该项目由一项合作努力组成,将复杂纳米结构的开发与具有高时间(~100飞秒)和空间(~100纳米)分辨率以及高自旋灵敏度(~ 105个磁性原子)的最先进的自旋探针相结合。实验范围从超灵敏的磁力测量,到“全光学”自旋共振显微镜,再到电子自旋输运的动力学研究。虽然主要重点是基础物理,所获得的知识将是重要的发展概念,在未来几代的高速磁电子设备的自旋过程的相干控制,从超快开关到量子计算的潜在应用。这项研究涉及材料物理学和先进仪器的先进技术培训,并为学生在学术和工业环境中做出直接贡献做好准备。

项目成果

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