Forschungszentrum Jülich Online - 01.09.2005
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Magnetotransport


 

He-3/He-4 Mischkryostat

He-3 Kryostat

Drehbarer Probenhalter



Mit Hilfe von Magnetotransportmessungen können eine Vielzahl Spinphänomenen in Halbleiterstrukturen untersucht werden. In der Regel werden die Messungen bei tiefen Temperaturen durchgeführt. Abhängig von der benötigten Messtemperatur werden unterschiedliche Kryostatsysteme eingesetzt. Zur Erzeugung von hohen Magnetfeldern kommen oft supraleitende Magneten zum Einsatz.

Zur Erzeugung tiefster Temperaturen steht ein He-3/He-4 Mischkryostat zur Verfügung mit einer Basistemperatur von 30 mK. Dieser Kryostat ist mit einem 14 T Magneten ausgestattet. Bei zusätzlicher Kühlung der Magnetspule kann das Magnetfeld auf 16 T erhöht werden. Bei einem Mischkryostaten wird ein Gemisch aus He-3 und He-4 zur Kühlung eingesetzt. Bei tiefen Temperaturen gibt es eine Separation in eine He-3 reiche und eine He-3 arme Phasen. Die Kühlwirkung kommt dadurch zustande, dass He-3 aus der He-3 reichen Phase in die He-3 arme Phase transferiert wird.

Für Messungen bis hinunter zu 300 mK kommt ein He-3 Kryostat zum Einsatz, welcher mit einem 10 T Magneten ausgestattet ist. Die Kühlwirkung kommt dabei zustande, dass zuvor verflüssigtes He-3 mittels einer Sorptionspumpe abgepummt wird.

Neben den oben genannten Systemen ist es auch möglich mittels eines He-4 Durchflusskryostaten Messungen von He-Temperatur (4 K) bis hinauf zu Raumtemperatur durchzuführen. Bei diesem Messaufbau steht ein Magnet mit einem Feld bis 0.5 T zur Verfügung.

Wichtige Methoden zur Charakterisierung zweidimensionaler Elektronengase in Halbleiterheterostrukturen sind die Messung des Quanten-Hall-Effektes und der Shubnikov-de Haas Oszillationen. Diese geben Aufschluss über die Transporteigenschaften, wie Beweglichkeit, Leitfähigkeit oder Ladungsträgerkonzentration. Shubnikov-de Haas Messungen können auch genutzt werden um Informationen über die Spin-Bahn-Wechselwirkung in Halbleiterheterostrukturen zu erhalten, eine wichtige Eigenschaft zur Realisierung des Spintransistors. Die Stärke der Spin-Bahn-Wechselwirkung kann über durch Auswertung des charakteristischen Schwebungsmusters in den Shubnikov-de Haas Oszillationen bestimmt werden. Mit Hilfe eines rotierenden Probenhalters ist es zudem möglich Informationen über die Stärke der Zeeman-Spinaufspaltung zu gewinnen.

Bei sehr tiefen Temperaturen und kleinen Magnetfeldern können Interferenz-Phänomene beobachtet werden. Beispiele sind hier die schwache Lokalisierung (negativer Magnetowiderstand) oder in ringförmigen Strukturen der Aharonov-Bohm Effekt. Spineffekte zeigen sich hier z.B. durch Umkehrung der schwachen Lokalisierung in die schwache Antilokalisierung (positiver Magnetowiderstand). Durch Messung der Antilokalisierung ist es möglich Informationen über die Spinstreuung zu erhalten.

 



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