Prinzip der Spinrauschspektroskopie

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Links: Linear polarisiertes Laserlicht wird auf eine dotierte Halbleiterprobe in einem Kryostaten fokussiert. Die Laserenergie befindet sich off-resonant unterhalb der Bandlücke, damit Anregungseffekte vermieden werden. Die Spinfluktuationen der sich im thermischen Gleichgewicht befindlichen Ladungsträger der Probe werden auf die Polarisation des Laserlichtes übertragen. Die stochastische Zeitentwicklung auf dem Faradayrotationswinkel wird mit einem Differenzverstärker (balanced receiver) in Kombination mit einer Polarisationsbrücke (polarization bridge) detektiert. Das elektronische Signal wird in einem herkömmlichen PC digitalisiert und Fouriertransformiert.

Rechts: Typisches Spinrauschspektrum einer Messung mit angelegtem Magnetfeld. Aus dem Spektrum werden die Spinlebenszeit, der Ladungsträger-g-Faktor und die Anzahl der fluktuierenden Spins N innerhalb der Probenfläche ermittelt.

Prinzip der zeit- und polarisationsaufgelösten Spektroskopie

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Zirkular polarisierte Laserpulse eines modengekoppelten Ti:Saphir Lasers werden auf eine Halbleiterprobe (z. B. GaAs) fokussiert. Hier erzeugen die Photonen aufgrund der optischen Auswahlregeln eine Spinpolarisation der Leitungsbandelektronen parallel zur Anregungsrichtung des Laserlichtes. Die Probe befindet sich in einem Heliumbadkryostaten, in dem mit einem supraleitendem Magneten Felder bis zu 9 T erzeugt werden können. Photolumineszenz (PL) entsteht bei der Rekombination von Elektron-Loch-Paaren, welche - den optischen Auswahlregeln folgend - ein Photon mit entweder links- oder rechts-zirkularem Licht emittieren. Da sich die Elektronenspinpolarisation im optischen PL-Polarisationsgrad manifestiert, ist die Emissionswahrscheinlichkeit von links- und rechts-zirkularem Licht unterschiedlich. Beide zirkular polarisierten PL-Komponenten werden mit einem Flüssigkristallretardierer (LCR) sowie einem Linearpolarisator (LP) für fortlaufend gemessen. Das PL-Spektrum wird mit einem Monochromator aufgelöst, während ein Streakkamerasystem die Dynamik der PL mit einer zeitlichen Auflösung bis zu 2 ps aufnimmt.

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(a) Streakkamerabilder der PL-Komponenten beider Polarisationen von einer Messung mit angelegtem Magnetfeld (Die Intensität wird in der Farbskala und die weißen Achsen die Wellenlängen- und Zeitskala dargestellt). Wegen des Magnetfeldes entstehen Präzessionsbewegungen der Elektronenspins, welche zu einer Oszillation des Intensitätsverhaltens der polarisationsaufgelösten PL führt (Spinquantenschwebungen).

(b) Wellenlängenintegrierte zeitliche Entwicklung beider PL-Komponenten.

(c) Berechneter PL-Polarisationsgrad. Durch Anpassen einer gedämpften Schwingung werden der Elektronen-g-Faktor (Larmorfrequenz) und die Spinlebenszeit der Elektronen (exponentieller Zerfall) ermittelt.