Tobias Henn

• The present thesis “Hot spin carriers in cold semiconductors” investigates hot carrier effects in low-temperature photoinduced magneto-optical Kerr effect (MOKE) microscopy of electron spins in semiconductor heterostructures. Our studies reveal that the influence of hot photocarriers in magneto-optical pump-probe experiments is twofold. First, it is commonly assumed that a measurement of the local Kerr rotation using an arbitrary probe wavelength maps the local electron spin polarization. This is the fundamental assumption that underlies theThe present thesis “Hot spin carriers in cold semiconductors” investigates hot carrier effects in low-temperature photoinduced magneto-optical Kerr effect (MOKE) microscopy of electron spins in semiconductor heterostructures. Our studies reveal that the influence of hot photocarriers in magneto-optical pump-probe experiments is twofold. First, it is commonly assumed that a measurement of the local Kerr rotation using an arbitrary probe wavelength maps the local electron spin polarization. This is the fundamental assumption that underlies the widely used two-color MOKE microscopy technique. Our continuous-wave (cw) spectroscopy experiments demonstrate that this assumption is not correct. At low lattice temperatures the nonresonant spin excitation by the focused pump laser inevitably leads to a strong heating of the electron system. This heating, in turn, locally modifies the magneto-optical coefficient which links the experimentally observed Kerr rotation to the electron spin polarization. As a consequence, the spin-induced local Kerr rotation is augmented by spin-unrelated changes in the magneto-optical coefficient. A spatially resolved measurement of the Kerr rotation then does not correctly map the electron spin polarization profile. We demonstrate different ways to overcome this limitation and to correctly measure the electron spin profile. For cw spectroscopy we show how the true local electron spin polarization can be obtained from a quantitative analysis of the full excitonic Kerr rotation spectrum. Alternatively, picosecond MOKE microscopy using a spectrally broad probe laser pulse mitigates hot-carrier effects on the magneto-optical spin detection and allows to directly observe the time-resolved expansion of optically excited electron spin packets in real-space. Second, we show that hot photocarriers strongly modify the spin diffusion process. Owing to their high kinetic energy, hot carriers greatly enhance the electron spin diffusion coefficient with respect to the intrinsic value of the undisturbed system. Therefore, for steady-state excitation the spin diffusivity is strongly enhanced close to the pump spot center where hot electrons are present. Similarly, for short delays following pulsed excitation the high initial temperature of the electrons leads to a very fast initial expansion of the spin packet which gradually slows as the electrons cool down to the lattice temperature. While few previous publications have recognized the possible influence of hot carriers on the electron spin transport properties, the present work is the first to directly observe and quantify such hot carrier contributions. We develop models which for steady-state and pulsed excitation quantitatively describe the experimentally observed electron spin diffusion. These models are capable of separating the intrinsic spin diffusivity from the hot electron contribution, and allow to obtain spin transport parameters of the undisturbed system. We perform extensive cw and time-resolved spectroscopy studies of the lattice temperature dependence of the electron spin diffusion in bulk GaAs. Using our models we obtain a consistent set of parameters for the intrinsic temperature dependence of the electron spin diffusion coefficient and spin relaxation time and the hot carrier contributions which quantitatively describes all experimental observations. Our analysis unequivocally demonstrates that we have, as we believe for the first time, arrived at a coherent understanding of photoinduced low-temperature electron spin diffusion in bulk semiconductors.…
• Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss heißer Ladungsträger in pump-probe magneto-optischer Kerr-Effekt (MOKE) Tieftemperatur-Mikroskopie-Messungen der optisch induzierten Elektronenspin-Dynamik in Galliumarsenid-basierten Halbleiterheterostrukturen. Die Arbeit zeigt, dass dieser Einfluss von zweierlei Art ist. Der erste Aspekt betrifft die magneto-optische Elektronenspin-Detektion. Es wird gewöhnlich angenommen, dass eine Messung der lokalen Kerr-Rotation unter Verwendung einer beliebigen Probelaser-Wellenlänge korrekt die lokaleDie vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss heißer Ladungsträger in pump-probe magneto-optischer Kerr-Effekt (MOKE) Tieftemperatur-Mikroskopie-Messungen der optisch induzierten Elektronenspin-Dynamik in Galliumarsenid-basierten Halbleiterheterostrukturen. Die Arbeit zeigt, dass dieser Einfluss von zweierlei Art ist. Der erste Aspekt betrifft die magneto-optische Elektronenspin-Detektion. Es wird gewöhnlich angenommen, dass eine Messung der lokalen Kerr-Rotation unter Verwendung einer beliebigen Probelaser-Wellenlänge korrekt die lokale Elektronenspinpolarisation abbildet. Diese Prämisse ist die fundamentale Grundlage der MOKE Elektronenspin-Mikroskopie. Unsere Dauerstrich-Spektroskopie-Ergebnisse belegen, dass diese Annahme im Allgemeinen nicht korrekt ist. Bei tiefen Gittertemperaturen führt die nichtresonante optische Anregung spinpolarisierter Elektronen zu einer signifikanten Heizung des Elektronensystems. Diese Heizung modifiziert lokal den magneto-optischen Koeffizienten, der die im Experiment beobachtete Kerr-Rotation mit der zu messenden Elektronenspinpolarisation verknüpft. Als Konsequenz ist die spininduzierte lokale Kerr-Rotation von spinunabhängigen Änderungen des der magneto-optischen Koeffizienten überlagert. Eine ortsaufgelöste Messung der Kerr-Rotation bildet dann im Allgemeinen nicht korrekt die lokale Elektronenspinpolarisation ab. Wir demonstrieren verschiedene Möglichkeiten, diese Einschränkung zu überwinden und das korrekte Elektronenspin-Profil zu bestimmen. Für Dauerstrich-Anregung zeigen wir, dass das Elektronenspin-Profil korrekt durch eine quantitative Analyse des lokalen exzitonischen Kerr-Rotations-Spektrums ermittelt werden kann. Alternativ minimiert Pikosekunden-zeitaufgelöste MOKE Mikroskopie unter Verwendung eines spektral breiten gepulsten Probelasers den Einfluss heißer Elektronen auf die magneto-optische Spin-Detektion und erlaubt die direkte Beobachtung der diffusiven Ausbreitung optisch erzeugter Elektronenspin-Pakete im Realraum. Als zweites Hauptergebnis zeigen wir, dass optische angeregte heiße Ladungsträger signifikant die Spindiffusion beeinflussen. Durch ihre hohe kinetischen Energie erhöhen heiße Photoladungsträger stark den Elektronenspin-Diffusionskoeffizienten im Vergleich zum intrinsischen Wert des ungestörten Systems. Aus diesem Grund ist bei tiefen Gittertemperaturen für lokale Dauerstrich-Anregung der Spin-Diffusionskoeffizient in der Nähe des fokussierten Pumplaserstrahls, in der heiße Elektronen vorhanden sind, stark erhöht. Analog führt für kurze Zeiten nach gepulster optischer Anregung die hohe anfängliche Elektronentemperatur zu einer sehr schnellen initialen Ausbreitung des Spin-Paktes, welche sich allmählich verlangsamt, während die Elektronen auf die Gittertemperatur abkühlen. Während einzelne frühere Arbeiten bereits den möglichen Einfluss heißer Ladungsträger auf den Elektronenspin-Transport erkannten, ist die vorliegende Arbeit die erste, die die Wirkung heißer Träger auf die Elektronenspin-Diffusion direkt beobachtet und quantifiziert. Wir entwickeln verschiedene Modelle, die für gepulste und Dauerstrich-Anregung quantitativ die Elektronenspin-Diffusion beschreiben. Diese Modelle sind in der Lage, die intrinsische Spindiffusivität von den Beiträgen heißer Ladungsträger zu trennen und erlauben, die Spintransport-Eigenschaften des ungestörten Systems zu bestimmen. Wir untersuchen in zeitaufgelösten und Dauerstrich-Anregungs-Experimenten die Gittertemperatur-Abhängigkeit der Spindiffusion in n-dotiertem Volumen-GaAs. Mit Hilfe unserer Modelle ermitteln wir einen konsistenten Parameter-Satz für die intrinsische Temperaturabhängigkeit der Spinrelaxationszeit und des Elektronenspin-Diffusionskoeffizienten sowie der Beiträge heißer Ladungsträger, der quantitativ alle experimentellen Beobachtungen beschreibt. Damit haben wir erstmals ein kohärentes Verständnis der optisch induzierten Tieftemperatur-Elektronenspin-Diffusion in Halbleitern entwickelt.…