Spin Effects in quasi-1D Systems of Narrow Gap Semiconductors

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In den letzten zehn Jahren ist sehr intensiv Grundlagenforschung zu Spin- Effekten in Halbleitern und Halbleiternanostrukturen vorangetrieben worden, motiviert durch die Möglichkeit eine neue Ära in der Elektronik („Spinelektronik") und Informationstechnologie zu eröffnen. Hierbei wird untersucht, wie der intrinsische Spin von Ladungsträgern kontrolliert beeinflusst werden kann, um neue effiziente Funktionalitäten für elektronische Bauelemente für Hochfrequenzanwendungen und niedrigem Leistungsverbrauch zu schaffen. Einzigartige Eigenschaften werden durch besondere Nanostrukturen gegeben, bei denen die Systemdimensionalität und Quanteneffekte eine Rolle spielen. Bei vorhandener Spin-Bahn(SB)-Wechselwirkung wird es möglich den Spin anhand von elektrischen Gleich- und Wechselfeldern zu beeinflussen und zu steuern. In diesem Antrag wird gemeinsam mit der Partnergruppe an der University at Buffalo (ÜB), NY, USA, ein dreijähriges experimentelles Forschungsvorhaben vorgestellt, mit weiteren Kooperationen in der Theorie und der Materialherstellung. Der Forschungsschwerpunkt liegt in dem Grundlagenverständnis der S B-Kopplungseffekte in quasi-eindimensionalen (1 D) InAs-basierten HeteroStrukturen, in denen spin-abhängige Phänomene untersucht werden und die Möglichkeiten zur Nutzung in neuen spinelektronischen Bauelementen ausgelotet werden. Die zwei Forschergruppen haben gemeinsame Interessen in der Physik und komplementäre Expertisen: die UB-Gruppe hat die Expertise in optischer (speziell THz) Spektroskopie von Halbleiternanostrukturen; dem Hochfeld-Magnetotransport von quasizweidimensionalen (2D) Ladungsträgersystemen und Spineffekten in Halbleitern, die Gruppe an der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat Expertise in der Herstellung von Halbleiternanostrukturen, Magnetotransport von Quantendrähten (QD), Quantenpunktkontakten und der Physik nanoelektronische Bauelemente. Bestehende Kooperationen im Bereich der Molekularstrahlepitaxie (Universität Hamburg) und der Theorie (Walter-Schottky Institut, TU München und Harvard University) unterstützen das Forschungsvorhaben.Starke SB-Wirkung entsteht, wenn die Inversionssymmetrie in Halbleiterheterostrukturen durch das Wachstum oder das Anlegen elektrischer Felder gebrochen wird. In Quantendrähte sowie in Quanten-Hall-Randkanälen (QHR) bedarf es zunächst der Grundlagenforschung um zu einem Verständnis über den Einfluss einer starken SB-Wechselwirkung auf die elektrischen Transporteigenschaften zugelangen. Hierzu wird Kooperationsforschung notwendig, um hochspezialisierte experimentelle Techniken und Expertisen zusammen zuführen und die starken SB-Effekte für potentielle Spintronik- Anwendungen zu untersuchen. Unser Forschungsvorhaben hat zwei Schwerpunkte: 1.) Photoresponsestudien von EDSR in QHR und 2.) EDSR und Quantentransport in Quantendrähten jeweils in InAs-basierten HeteroStrukturen. Dieses Forschungsvorhaben bedarf zur erfolgreichen Ausführung die enge Kooperation und die komplementären Methoden der beiden Partnergruppen.(„Intellectual Merit")Das vorgeschlagene Forschungsprogramm der Kooperation beinhaltet Materialwachstum, Nanostrukturierung, Tieftemperatur-Magnetotransport, THz- Photoresponse Spektroskopie und Theorie um Spin- und SB-Wechselwirkungseffekte in quasi-1D Systemen zu untersuchen. Der Vergleich von lithografisch hergestellten Quantendrähten mit Quanten-Hall-Randkanälen in quasi-2D Elektronengassystemen ermöglicht ein tiefes Verständnis der Grundlagen der Physik starker SB-Wechselwirkung in Halbleiter mit niedriger Bandlücke zu erlangen. Die Herstellung der Nanostrukturen und die Messtechniken, sowie die Grundlagenphysik zu erforschen stellen eine große Herausforderung dar. Die Bandbreite der untersuchten Strukturen und die THz und Magnetotransport-Untersuchungsmethoden (Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaften von elektrischen, magnetischen und optischen Feldern) wird den Zugang zu fundamentalen Eigenschaften über das Zusammenspiel von SB-Effekten in Felder in quasi-1D Strukturen ermöglichen. Infolge der Kooperationsforschung erwarten wir ein vertieftes Verständnis unter welchen Vorraussetzung komplexe 1 D-Strukturen gefertigt werden können, z.B. als kurze Quantendrähte oder Quantenpunktkontakte in Verbindung mit QHR um mit Mach-Zehnder-Interferometer spin-abhängige Kohärenzmessungen zu ermöglichen.(„Broader Impact")Die Resultate der Grundlagenforschung werden einen Einfluss auf die Forschungsfelder der Spinelektronik und der Festkörper-basierten Quanteninformationsverarbeitung haben. Die Doktoranden/-innen (in den USA und in Deutschland), die direkt mit dem Forschungsvorhaben verbunden sind, werden breite, interdisziplinäre Kenntnisse der Grundlagenphysik, Materialwissenschaft, und Nanotechnologie erhalten und zudem „kulturelle" Weiterbildung durch einen regulären Austausch zwischen den Gruppen (ÜB und RUB) erfahren. Die Forschung ist für Bachelor- und Masterstudenten zugänglich und sie und das Projekt, werden unmittelbar durch ihr Mitwirken profitieren. Studierende unterrepräsentierter Gruppen werden ermutigt teilzunehmen und im Rahmen der NSF REU gefördert. Das Forschungsvorhaben ermöglicht Studierenden der der ÜB einen Forschungserfahrung in Deutschland durch ein Training und eine individuelle Vorbereitung an der ÜB und einen einmonatigen Aufenthalt an der RUB im Frühsommer.