In dieser Arbeit wird die Anwendung des intrinsischen Spin-Hall Effekts in rein halbleiterbasierten Spinfilter untersucht. Die entwickelten Dreitor-Bauelemente erzeugen aus einem unpolarisierten Strom auf rein elektrischemWeg zwei entgegengesetzt spinpolarisierte Ströme. Der zugrundeliegende Mechanismus des intrinsischen Spin-Hall Effekts basiert auf der Spin-Bahn-Wechselwirkung. In Analogie zum klassischen Hall Effekt, der die Spannung senkrecht zum ursprünglichen Landungsstrom in Magnetfeldern beschreibt, verursacht der Spin-Hall Effekt ein Spinstrom senkrecht zum Ladungsstrom ohne externes Magnetfeld. Voraussetzungen für einen starken intrinsischen Spin-Hall Effekt sind eine starke Spin-Bahn-Wechselwirkung und eine so niedrige Ladungsträgerdichte, dass nur eine Mode zum Transport in den quasi-eindimensionalen Drähten der Spinfilter beiträgt. Die starke Rashba Spin-Bahn-Wechselwirkung in InAs Heterostrukturen macht diese zu idealen Kandidaten für die experimentelle Untersuchung von Spinfilter-Strukturen.
Ein Bauelement, das in der Lage ist sowohl spinpolarisierte Ströme zu erzeugen als auch diese zu detektieren, wird in dieser Arbeit vorgestellt und das Funktionsprinzip durch Simulationen in Kooperation mit Aron W. Cummings von der Arizona State University, USA, bestätigt. Um auch eine rein elektrische Detektion der Spinpolarisation zu ermöglichen, wird an einen der beiden Ausgänge des ersten Filters eine zweite Filterstufe angesetzt. Zur Beschränkung des Transports auf nur eine Mode in diesen Spinfilter-Kaskaden werden Quantenpunktkontakte eingesetzt, die eine Kontrolle der Modenzahl in jedem einzelnen Arm der Strukturen ermöglichen.
In Transportmessungen bei Millikelvin-Temperaturen werden die Leitfähigkeiten der einzelnen Ausgänge erfasst und aus ihren Verhältnissen wird die Spinpolarisation der Ströme abgeschätzt. Stufen in der quantisierten Leitfähigkeit können mit Sprüngen in den Leitfähigkeitsanteilen in Verbindung gebracht werden. Wie erwartet zeigt sich ein Zusammenhang zwischen der Anzahl besetzter Moden und der Stärke des Spin-Hall Effekts. Allerdings müssen weitere Aspekte, wie Störstellenpotentiale und leichte Abweichungen von der perfekten Strukturgeometrie berücksichtigt werden, da auch sie zu Unterschieden zwischen den Leitfähigkeitsanteilen der Ausgänge der Struktur führen und somit den direkten Zusammenhang zwischen den Leitfähigkeitanteilen und dem Polarisationsgrad verzerren.
Messungen in Magnetfeldern senkrecht zur Probenebene zeigen einen starken Einfluss der Lorentzkraft. Dennoch sind weiterhin charakteristische Sprünge in den Leitfähigkeiten sichtbar, die in Verbindung zur quantisierten Leitfähigkeit stehen. Dies ist ein Hinweis darauf, dass der Spinfilter-Effekt auch in externen Magnetfeldern bestehen bleibt und bietet zugleich ein erstes Indiz für einen spinpolarisierten Strom zwischen den beiden Filterstufen.
The utilization of the intrinsic spin-Hall effect in all-semiconductor spin filters is studied in this thesis. The proposed three-terminal devices generate two oppositely spin-polarized currents from an unpolarized current input to the device by all-electrical means. The underlying mechanism is the intrinsic spin-Hall effect, that is based on spin-orbit coupling in semiconductors. In analogy to the classical Hall effect that describes a voltage perpendicular to the original charge current in the presence of a magnetic field the spin-Hall effect describes a spin current perpendicular to the charge current in the absence of magnetic fields. Prerequisites for a well pronounced intrinsic spin-Hall effect are a strong spin-orbit interaction and a low carrier density so that only the lowest one-dimensional transport mode in the quantum wires forming the spin filters is occupied. The strong spin-orbit interaction of the Rashba type is tunable by external gate voltages and makes InAs heterostructures ideal candidates for the experimental realization of such spin filters.
A device capable of generating and detecting spin-polarized currents is developed and the general concept has been proven via numerical simulations in close cooperation with Aron W. Cummings from the Arizona State University, USA. To achieve all-electric detection of the spin polarization a second filter is attached to one of the outputs of the first filter. To achieve transport only in the lowest one-dimensional subband of this two-stage spin-filter cascade, quantum-point contacts are employed to electrically set the number of transport modes through each arm of the device.
In transport measurements at millikelvin temperatures the conductances of the outputs of the two-stage spin-filter cascades are obtained. Their relative contributions to the total conductance, i.e. their conductance portions, are used to estimate the polarization efficiency of the filters in a basic model. Steps in the quantized conductance through the spin-filter cascades can be related to distinct features in the conductance portions and the polarization efficiencies of the filter stages show a correlation between the number of occupied transport modes and the strength of the spin-Hall effect as expected. However, additional contributions to the conductance portions due to disorder potentials and slight geometric deviations have to be taken into account as they also generate differences in the conductance portions.
Measurements in external magnetic fields perpendicular to the sample plane reveal a strong influence of the Lorentz force, but still show characteristic features in the conductance portions related to steps in the quantized conductance. This is a hint for a surviving spin-filter effect in the regime of perpendicular magnetic fields and at the same time provides evidence of the presence of a spin-polarized current flowing from the first filter to the second.