Current induced dynamic nuclear polarization : spintronics without magnetism

Abstract

The present work deals with the study of Dynamic Nuclear Polarization (DNP), especially current-induced DNP, in III-V semiconductors such as InP and GaAs. Localized electron centres in these semiconductors have extended wavefunctions and exhibit strong hyperfine coupling with the nuclei in their vicinity. These interactions not only play a critical role in electron and nuclear spin relaxation mechanisms, but also enable nuclear polarization enhancement via DNP. The doping concentration and temperature range favourable for DNP effects was determined by studying these semiconductors with varying doping concentration in a wide temperature range. Under suitable conditions, DNP enhancement by more than two orders of magnitude was observed by microwave saturation of electron spin transitions in InP. Additionally, we report the first experimental observation of electric-current induced DNP in InP. This is consistent with model predictions in zinc-blende semiconductors with strong spin-orbit effects. This provides a promising possibility to generate spin polarization by means of electric current and hence is an important step towards an "all electric spintronic device". Analogous to the spin Hall effect, the "spin Gunn effect" was proposed theoretically in III-V semiconductors recently. A small spin polarization is expected to grow and lead to spin polarized domains within the Gunn regime. If demonstrated experimentally, the spin Gunn effect can open a wide range of possibilities in the field of spintronics. We investigated the possible existence of spin Gunn effect in InP and GaAs by means of pulsed NMR measurements. From our measurements we conclude that the electron spin polarization and the resulting DNP effects appear to be much smaller than the theoretical predictions.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, die Grundlagen der strom-induzierten Dynamischen Kernspin Polarisation (DNP) in III-V Halbleitern wie InP und GaAs zu untersuchen und zu verstehen. In diesen Halbleitern weisen lokalisierte Elektronenzentren ausgedehnte Wellenfunktionen und eine starke Hyperfeinkopplung zu benachbarten Atomkernen auf. Diese Wechselwirkungen spielen nicht nur in den Elektron- und Kernspin Relaxationsmechanismen eine kritische Rolle, sondern erlauben auch die Verstärkung der Kernspinpolarisation durch DNP. Die für DNP Effekte geeignete Dotierungskonzentration und Temperaturbereiche wurde durch die Untersuchung dieser Halbleiter mit unterschiedlicher Dotierung über einen großen Temperaturbereich bestimmt. Durch die Mikrowellensättigung der Elektronenspin- Übergänge in InP unter geeigneten Bedingungen konnte eine DNP Verstärkung von mehr als zwei Größenordnungen beobachtet werden. Zusätzlich können wir über den ersten experimentellen Nachweis von strominduzierter DNP in InP berichten. Dies stimmt mit Modelvorhersagen für Halbleiter mit Zinkblendestruktur und starken Spin-Bahnkopplungseffekten überein. Dies liefert eine viel versprechende Möglichkeit für stromerzeugte Spinpolarisation, und ist ein wichtiger Schritt in Richtung eines "nur elektrisch arbeitenden Spintronic Bauelement". Ähnlich dem Spin-Hall Effekt wurde der "Spin-Gunn-Effekt" kürzlich in III-V Halbleitern vorgeschlagen. Man erwartet, dass eine kleine Spinpolarisation (entstanden durch eine zufällige thermische Fluktuation oder durch Spin-Bahnkopplungseffekte) mit der Zeit anwächst und zu spinpolarisierten Domänen im Bereich des Gunneffektes führt. Eine experimentelle Realisation des Spin-Gunn-Effektes würde weit reichende Möglichkeiten im Spintronic-Bereich eröffnen. Wir untersuchten einen möglichen Spin-Gunn-Effekt in InP und GaAs durch gepulste NMR Messungen. Aus unseren Ergebnissen folgern wir, dass die Elektronenspin Polarisation und die resultierenden DNP Effekte viel kleiner als in den theoretischen Vorhersagen sind.