Kurzfassung
Die Spinelektronik mit Halbleitern befasst sich mit der Speicherung und Verarbeitung von Information mittels der Ladung und des Spins von Elektronen in Nanostrukturen. Hierzu ist eine effiziente Erzeugung und Detektion spinpolarisierter Ströme Voraussetzung. Spininjektion von Ferromagneten in Halbleiter wurde erfolgreich nachgewiesen, allerdings behindern Fehlanpassungen der Leitfähigkeit und Streuprozesse an der Grenzfläche der beiden Materialien eine ausreichend hohe Spinpolarisation. Daher sind reine Halbleiterbauteile vorzuziehen. InAs Heterostrukturen besitzen eine lange mittlere freie Weglänge und fördern ballistischen Transport durch Nanostrukturen. Durch ihre starke Rashba-Spin-Bahn-Wechselwirkung sind der intrinsische Spin-Hall-Effekt und die Spinpräzession in InAs Heterostrukturen besonders ausgeprägt. Wenn sich das Elektronensystem im eindimensionalen Quantenlimes befindet und Intersubbandstreuung ausgeschlossen ist, trennt der intrinsische Spin-Hall Effekt Spin-Up und Spin-Down Elektronen räumlich.
Ein Zusammenspiel aus intrinsischem Spin-Hall-Effekt und Spinpräzession resultiert in einer oszillierenden Bewegung von spinpolarisierten Elektronen, welche an die Zitterbewegung erinnert, die Schrödinger für freie Elektronen vorhergesagt hat. Um spinpolarisierte Ströme in Halbleitern rein elektronisch zu erzeugen und zu detektieren, wurden InAs Spinfilterkaskaden vorschlagen, in denen der intrinsische Spin-Hall-Effekt und die Spinpräzession auftritt.
Die Spinfilter bestehen aus zwei Y-förmigen Kreuzungen von drei Quantendrähten, die durch einen zentralen Draht verbunden sind. An der ersten Filterstufe werden zwei gegensätzlich spinpolarisierte Ströme erzeugt, von denen einer in den zentralen Draht fließt. An den Ausgängen der zweiten Filterstufe wird der spinpolarisierte Strom im zentralen Draht als Leitwertdifferenz nachgewiesen. Im zentralen Draht führen die spinpolarisierten Elektronen eine Zitterbewegung aus.
Die Position dieser Elektronen hängt am Ende des zentralen Drahtes von der Spinpräzessionslänge ab. Ein Magnetfeld, das in der Ebene des Elektronensystems orientiert ist, verändert das effektive Rashba-Feld und somit die Leitwertsdifferenz an den Ausgängen der zweiten Filterstufe.
In dieser Arbeit werden Transportuntersuchungen an InAs Spinfilterkaskaden mit einem Topgate vorgestellt. Das Topgate ermöglicht eine gleichmäßige Reduzierung der Elektronendichte und kann den Transport auf das unterste eindimensionale Subband des Spinfilters beschränken. Spinaufgelöste quantisierte Leitwertstufen, die bereits ohne äußere Magnetfelder auftreten, weisen auf quasiballistischen Transport und auf eine starke Rashba-Spin-Bahn-Wechselwirkung hin. Eine Leitwertdifferenz an den beiden Ausgängen der zweiten Filterstufe belegt die Erzeugung und Detektion spinpolarisierter Ströme. Eine Korrelation der ersten spinaufgelösten Stufe des Leitwerts mit einer Änderung der Leitwertdifferenz an den beiden Ausgängen zeigt die Sensibilität der zweiten Filterstufe auf den Elektronenspin.
Magnetfeldabhängige Oszillationen der Leitwertdifferenz unterstützen die Deutung als Spineffekt und geben erste Hinweise auf eine Zitterbewegung von Elektronen in Halbleitern.
Semiconductor spintronics aims at recording and processing information with both the charge and the spin of electrons in nanostructures.
For this, it is mandatory to generate and detect spin-polarized currents efficiently.
The injection of spin-polarized currents from ferromagnets into semiconductors has been realized, but scattering at the metal-semiconductor interface and the conductivity mismatch cumber a sufficient polarization of the current injected into the semiconductor. Hence, all-semiconductor devices are favorable. InAs heterostructures provide long mean free paths that support ballistic transport in nanostructures. Their high Rashba spin-orbit interaction furthers spin-related phenomena like the intrinsic spin-Hall effect and spin precession. The intrinsic spin-Hall effect spatially separates spin-up and spin-down electrons provided the electron system is in the one-dimensional quantum limit where intersubband scattering is suppressed.
The interplay of the spin-Hall effect and the spin precession leads to an oscillatory path of spin-polarized electrons that reminds one of Schrödinger's zitterbewegung for free electrons. All-semiconductor double Y-shaped InAs spin-filter cascades have been proposed that generate and detect polarized currents purely electrically as consequence of the intrinsic spin-Hall effect and the spin precession. The spin-filter cascades consist of two Y-shaped three-terminal junctions that are connected by a center wire.
At the first stage two oppositely polarized currents are generated; one of them is deflected into the center wire. The spin-polarized current in the center wire is detected as conductance imbalance at the outputs of the second stage. The spin-polarized electrons in the center wire perform a zitterbewegung. Their position at the end of the center wire depends on the spin-precession length. In-plane magnetic fields add to the effective Rashba fields and thus change the spin-precession length and hence the conductances of the second filter's outputs. In this thesis top-gated InAs spin-filter cascades with quantum wires are fabricated and transport measurements in magnetic fields are presented.
The top gate allows to control the electron density and to restrict the transport to the lowest one-dimensional subband in the whole cascade.
Spin-resolved conductance quantization already at zero magnetic field indicates quasi-ballistic transport and strong Rashba spin-orbit interaction.
A conductance imbalance at the second filter's outputs reveals the generation and detection of spin-polarized currents. A correlation of the first spin-resolved conductance plateau and the concomitant change of the conductance imbalance indicates the sensitivity of the second filter stage to the electron spin. Oscillations of the conductance imbalance as a function of an in-plane magnetic field substantiate the interpretation of the conductance imbalance to be spin related and provides first evidence for the zitterbewegung in semiconductors.