Spin dynamics in GaAs-based semiconductor structures

Abstract

This work is dedicated to the study of spin dynamics in systems based on the semiconductor gallium arsenide (GaAs) that are suitable for use in spintronic devices. We explored two types of model structures using experimental methods of ultrafast laser spectroscopy and transport measurements. In the ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As, we investigated laser-induced magnetization precession. We found out that transfer of both energy and angular momentum from the circularly polarized laser light can trigger magnetization precession, the latter one being identified as a new phenomenon, the "optical spin transfer torque". Furthermore, we demonstrate the possibility to control the energy-transfer-induced magnetization dynamics both optically and electrically using piezo-stressing. When dealing with purely non-magnetic structures for spintronics, we studied the Spin-Injection Hall Effect (SIHE) in GaAs/AlGaAs heterostructures with a special type of spin- orbit (SO) coupling that are lithographically patterned to create nanodevices. We managed to observe precession of the electron spin in the SO field directly in the space domain by extending the original detection method. This finding, together with the direct detection of a pure spin current, helped to propose a working spin Hall effect transistor.

Tato práce se zabývá studiem spinové dynamiky v polovodičových systémech vhodných pro spintroniku, které jsou založeny na polovidiči galium arsenid (GaAs). Pomocí metod ultrarychlé laserové spektroskopie a transporního měření jsme zkoumali dva typy modelových polovodičových struktur. Ve feromagnetickém polovodiči (Ga,Mn)As jsme se zabývali laserem vyvolanou precesí magnetizace. Zjistili jsme, že původem této precese může být nejen přenos energie z laserových pulsů, ale také přenos úhlového momentu z kruhově polarizovaného světla na elektrony a následně na magnetické momenty. Tento optický "spin transfer torque" je zcela novým jevem pozorovaným poprvé v rámci této práce. Dále jsme ukázali možnost kontroly precese magnetizace vyvolané přenosem energie, a to jak čistě opticky, tak elektricky za použití piezo měničů. V oblasti čistě nemagnetické spintoniky jsme studovali nízkodimenzionální struktury založené na GaAs/AlGaAs kvantových jámách se speciálním typem spin orbitální (SO) vazby, které vykazují Hallův jev související s injecí spinově polarizovaných nosičů (SIHE) . Tyto struktury byly litograficky zpracovány do formy dvojdimenzionální planární fotodiody. V našich experimentech jsme dokázali přímo elektricky detekovat precesi spinových momentů elektronů v SO poli, což je rozšířením původního...