Spin-Effekte von optisch erzeugten Ladungsträgern in Halbleitern
Die heutige Halbleiter-Elektronik und Opto-Elektronik basiert fast ausschließlich auf der Ausnutzung der Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Ladungen der Elektronen. Elektronen besitzen neben der Elementarladung aber auch noch den Spin als Teilchen-Eigenschaft. Der Elektronenspin...
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| Contributors: | |
| Format: | Doctoral Thesis |
| Language: | German |
| Published: |
Philipps-Universität Marburg
2003
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| Subjects: | |
| Online Access: | PDF Full Text |
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| Summary: | Die heutige Halbleiter-Elektronik und
Opto-Elektronik basiert fast ausschließlich auf der Ausnutzung
der Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Ladungen der
Elektronen. Elektronen besitzen neben der Elementarladung aber
auch noch den Spin als Teilchen-Eigenschaft. Der Elektronenspin
als Eigen-Drehimpuls mit einer halbzahligen Quantenzahl hat
kein klassisches Analogon. Er kann nur die beiden Zustände
? Spin-up? und ?Spin-down? annehmen.
Fast 75 Jahre nach der Einführung des Elektronenspins durch
Uhlenbeck und Goudsmith (1925) und seiner korrekten
Beschreibung in der relativistischen Quantenmechanik im Jahre
1930 durch Dirac, hält diese Größe Einzug in die moderne
Halbleiter- und Informationstechnologie.
Auf der Basis von
dünnen Metall-Schicht-Systemen sind bereits wichtige
Entdeckungen auf dem Gebiet der ,,Magneto-Elektronik?,
wie etwa des Riesenmagnetowiderstandes, zur Anwendung gekommen.
Ebenso sind der spinabhängige Tunneleffekt, magnetisch
steuerbare Widerstände, Magnetfeld-Sensoren und der ,,Magnetic
Random Access Memory? Gegenstand der aktuellen Forschung.
Alle diese Anwendungen nutzen die quantenmechanischen
Eigenschaften des Spins aus, basieren jedoch ausschließlich auf
Metallen. Eine Spin-Elektronik auf Halbleiterbasis hat
dahingegen den Vorteil, dass sowohl die sehr gut entwickelte
Halbleitertechnik der konventionellen Elektronik genutzt werden
kann, als auch eine Verbindung mit
der Opto-Elektronik möglich
ist.
Eine der Grundvoraussetzungen für das Betreiben einer
Spin-Elektronik (?Spintronik?) in Halbleitern ist
die Bereitstellung und Kontrolle von spinpolarisierten
Elektronen. Durch die kohärente Kontrolle von zwei
Laserstrahlen können spinpolarisierte Ströme in Halbleitern
erzeugt werden. Diese Ströme beruhen auf der Interferenz von
optischen Übergängen und sind eine makroskopische Manifestation
von rein quantenmechanischen Phänomenen.
Ein anderer Zugang
zur Beeinflussung von Spin-Effekten in Halbleitern ist mit
einer steuerbaren
Symmetrie-Erniedrigung durch interne und
externe elektrische Felder die Spin-Eigenschaften von
Ladungsträgern im Leitungsband zu beeinflussen. Die
Anisotropie-Effekte werden im Magnetfeld mit der
Spin-Quantenschwebungs-Spektroskopie untersucht.
Die
Spin-Dephasierung von Elektron-Loch-Paaren mit paralleler
Spinausrichtung, sogenannten ,,dunklen? Exitonen, in
Halbleiter-Quantenpunkten werden untersucht.
Halbleiter-Quantenpunkte werden aufgrund ihrer Eigenschaften
bezüglich der langen Spin-Kohärenz-Zeiten oft als Kandidaten
für eine zukünftige Quanten-Informationsverarbeitung mit Spins
herangezogen. Die ,,dunklen'' Exitonen mit einem
Gesamtdrehimpuls von J=2 werden durch Zwei-Photonen-Anregung
erzeugt und die Umwandlung zu ,,hellen? Exitonen (J=1)
mit zeitaufgelöster Ultrakurzzeit-Spektroskopie verfolgt.
Im
ersten Teil des Anhangs wird der Versuch vorgestellt, aus
ferromagnetischen Eisen-Kontakten spinpolarisierte Elektronen
über Tunnel-Prozesse in eine Halbleiter-Schichtstruktur zu
injizieren. Dazu werden speziell für diesen Zweck prozessierte
Dioden-Strukturen verwendet.
Der zweite Teil beschäftigt
sich mit der Biologie. Blaulicht-Rezeptoren steuern eine
Vielzahl von hysiologischen Reaktionen bei Pflanzen, Pilzen und
Mikro-Organismen und auch beim Menschen. Die chemischen
Substanzen, die zum Beispiel Pflanzen das blaue Licht ,,sehen''
lassen, werden mit Ultrakurzzeit-Spektroskopie untersucht, um
die Funktionsweise von lichtabhängigen Prozessen, wie etwa dem
Phototropismus, das Wachsen der Pflanzen in Richtung des
Lichts, aufzuklären. |
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| Physical Description: | 134 Pages |
| DOI: | 10.17192/z2003.0741 |