Promotionsvortrag von Iris Kleinjohann

Der Spin eines lokaliserten Ladungsträgers in einer Halbleiternanostruktur kann mit Hilfe äußerer elektromagnetischer Felder kohärent kontrolliert werden. Die Kohärenzzeit des Spins ist bei kryogenen Temperaturen durch die Hyperfeinwechselwirkung mit umliegenden Kernspins begrenzt. Durch die Erzeugung von maßgeschneiderten Kernspinzuständen kann die Kohärenzzeit im Vergleich zum ungeordneten Kernspinsystem drastisch erhöht werden. Mittels einer vollständig quantenmechanischen Beschreibung untersuchen wir zwei spezielle Nichtgleichgewichtssituationen, in denen ein stark geordneter Kernspinzustand erreicht wird. Zunächst betrachten wir die Entstehung eines Kernspinpolaronenzustands unter optischer Kühlung der Kernspins. Wir entwickeln kinetische Ratengleichungen, die verschiedene effektive Temperaturen des Ladungsträgerspins und der Kernspins berücksichtigen und analytischen Zugang zur Übergangstemperatur für die Polaronenformation gewähren. Die Ratengleichungen werden zu einem Lindblad-Formalismus verallgemeinert, der die numerische Untersuchung eines Systems mit beliebiger Hyperfeinwechselwirkung ermöglichen. Die zweite Nichtgleichgewichtssituation, die in dieser Arbeit untersucht wird, ist die periodische optische Anregung einfach geladener Quantenpunkte in einem transversalen Magnetfeld. Die kernspininduzierte Fokussierung der Elektronenpräzessionsfrequenz führt zu einer Modenkopplung der Spindynamik. Eine Rephasierung der Elektronenspinpolarisation unmittelbar vor den Laserpulsen spiegelt diese Synchronisation der Spindynamik mit der Periodizität der optischen Anregung wider. Im Experiment wird eine Magnetfeldabhängigkeit der entstehenden Polarisationsamplitude des Elektronenspins vor den Laserpulsen beobachtet. Unsere quantenmechanischen Rechnungen führen diese Abhängigkeit auf den Zeeman-Term der Kernspins zurück. Zudem analysieren wir die Auswirkungen verschiedenster Einflüsse auf die Synchronisationseffekte. Wir betrachten unter anderem die quadrupolaren Wechselwirkungen der Kernspins, die Eigenschaften der Laserpulse sowie die Wahl der Pulsfolge.

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