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Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen der Transport und die Manipulation optisch angeregter Elektronen-Spins in (110) Quantenfilmen (quantum wells, QWs) mittels akustischer Oberflächenwellen (surface acoustic waves, SAWs). Der starke räumliche Einschluss der Ladungsträger im akustisch erzeugten Potenzial erlaubt spinerhaltenden Ladungsträgertransport mit der akustischen Geschwindigkeit. Auf diese Weise wird langreichweitiger Spintransport über Distanzen > 60 microns demonstriert, welche Spinlebenszeiten von mehr als 20 ns entsprechen. Erreicht werden diese extrem langen Spinlebenszeiten durch drei Effekte: (i) Der D''yakonov-Perel''-Mechanismus ist für Spins in Wachstumsrichtung von (110)-QWs in III-V-Halbleitern unterdrückt. (ii) Aufgrund des Typ-II piezoelektrischen Potenzials der akustischen Oberflächenwelle ist der Bir-Aronov-Pikus Spinrelaxations-Mechanismus sehr schwach. (iii) Der starke Einschluss der Ladungsträger in mesoskopische Bereiche stabilisiert den Spin zusätzlich. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals eine Anisotropie des Spintransports in einem externen Magnetfeld (Bext) nachgewiesen. Hierzu wurde die elektronische Spindynamik während des akustischen Transports entlang der [001]- bzw. [1-10]-Richtung untersucht. Während des Transports entlang der [001]-Richtung führt die Präzession der Elektronenspins um das fluktuierende interne Magnetfeld (Bint), das vom Fehlen eines Inversionszentrums im GaAs-Kristallgitter herrührt, zu Spinkohärenzzeiten von etwa 2 ns. Im Gegensatz hierzu ist beim Transport entlang der [1-10]-Richtung die Spinrelaxation für Spins in Wachstumsrichtung um eine Größenordnung langsamer. Grund hierfür ist die endliche mittlere Größe des internen effektiven Magnetfeldes Bint für Transport entlang dieser Richtung. Die beobachtete Anisotropie in der Spindynamik für die beiden Transportrichtungen wird vollständig im Rahmen der Spin-Bahn-Kopplung und des D''yakonov-Perel''-Mechanismus beschrieben und quantitativ erklärt. / In this work, we employ surface acoustic waves (SAWs) to transport and manipulate optically generated spin ensembles in (110) GaAs quantum wells (QWs). The strong carrier confinement into the SAW piezoelectric potential allows for the transport of spin-polarized carrier packets along well-defined channels with the propagation velocity of the acoustic wave. In this way, spin transport over distances exceeding 60 microns is achieved, corresponding to spin lifetimes longer than 20 ns. The demonstration of such extremely long spin lifetimes is enabled by three main factors: (i) Suppression of the D''yakonov-Perel'' spin relaxation mechanism for z-oriented spins in (110) III-V QWs; (ii) Suppression of the Bir-Aronov-Pikus spin relaxation mechanism caused by the type-II SAW piezoelectric potential; (iii) Suppression of spin relaxation induced by the mesoscopic carrier confinement into narrow stripes along the SAW wave front direction. A spin transport anisotropy under external magnetic fields (Bext) is demonstrated for the first time. Employing the well-defined average carrier momentum impinged by the SAW, we analyze the spin dephasing dynamics during transport along the [001] and [1-10] in-plane directions. For transport along [001], fluctuations of the internal magnetic field (Bint), which arises from the spin-orbit interaction associated with the bulk inversion asymmetry of the crystal, lead to decoherence within 2 ns as the spins precess around Bext. In contrast, for transport along the [1-10] direction, the z-component of the spin polarization is maintained for times one order of magnitude longer due to the non-zero average value of Bint. The dephasing anisotropy between the two directions is fully understood in terms of the dependence of the spin-orbit coupling on carrier momentum direction, as predicted by the D''yakonov-Perel'' mechanism for the (110) system.

Die Ergänzung der konventionellen Elektronik durch die quantenmechanischen Spin Eigenschaften der Elektronen ermöglicht die Entwicklung von schnellen und effizienten Rechnersystemen. Ein bekannter Baustein für solch ein System ist der Datta-Das Spin-Transistor. In dieser Arbeit wird ein akustisch angetriebener Spin-Transistor untersucht, basiert auf Quantendrähten definiert mittels Molekularstrahlepitaxie. Diese Quantendrähte (QWRs: quantum wires) bilden sich während des epitaktischen Überwachsens an den Flanken von Barrenstrukturen auf GaAs (001) Substraten. Elektronen (Löcher), die optisch in den QWR injiziert werden, sind lateral durch eine Potenzialbarriere von 25.4 meV (4.8 meV) zum umgebenden Qauntum Well eingesperrt. Die Verwendung einer akustischen Oberflächenwelle (AOW) ermöglicht den Transport von Elektronen und Löchern über große Entfernungen von bis zu 90 micron. Die akustische Transportdauer der QWR Ladungsträger entspricht der Dauer, die man aufgrund der akustischen Geschwindigkeit erwartet, d.h. dass die Ladungsträger sehr effizient transportiert werden. Im Fall von niedrigen akustischen Leistungen führen unbeabsichtigte Einfangzentren zu zusätzlichen Hotspots der Ladungsträgerrekombination auf dem Transportweg. Die intrinsischen Spinlebenszeiten der QWR Ladungsträger betragen ungefähr 2 ns bis 3 ns. Akustischer Spintransport im QWR wird über Entfernungen von mindestens 15 micron beobachtet. Es wird gezeigt, dass für Ladungsträger im QWR das Spin-Bahn Feld, um welches die Spins während des Transportes rotieren, stark von der akustischen Leistung abhängt. Daher stellen Flanken-QWRs auf GaAs (001) Substraten ein vielversprechendes Konzept für die Verwendung in einem akustisch betriebenen Spin-Transistor dar. / Fast and efficient computation devices can be developed by complementing conventional electronics with quantum mechanical spin. A common example for such a building block is the Datta-Das spin transistor. In this thesis, an acoustically driven spin transistor based on acoustic spin transport in quantum wires is investigated. These quantum wires (QWRs) are defined by molecular-beam epitaxy growth. They form on the sidewalls of ridges on GaAs (001) substrates. The edges of the ridges contain deviations from a straight line, originating from the photolithography process. Optically injected electrons and holes in the QWR are laterally confined by a potential barrier between the QWR and the surrounding QW of 25.4 meV and 4.8 meV, respectively. The application of a surface acoustic wave (SAW) enables the transport of electrons and holes over long distances along the QWR. For high acoustic powers, the charge carriers are transported by the strong SAW potential over distances up to 90 micron. The acoustic transport time of QWR corresponds to the one expected from the acoustic velocity, indicating a high transport efficiency. For lower acoustic powers, unintentional trapping centers lead to hotspots of carrier recombination along the transport path. The intrinsic spin lifetimes of the QWR carriers are approximately 2 ns to 3 ns. Acoustic spin transport in the QWR is observed over distances of at least 15 micron. It is shown that the spin-orbit field, around which the spins rotate during transport, strongly depends on the acoustic power for the QWR carriers. For high acoustic powers, the QWR spin precession frequency is enhanced by 3.5 times with respect to the intrinsic one. The results presented in this thesis demonstrate that the strain field of a SAW acts as a strain gate for QWR spins which are transported over a fixed distance. Therefore, the sidewall quantum wire on GaAs (001) substrates is a promising concept to be used in an acoustically driven spin transistor.

<p>Bose-Einstein condensates (BECs) in light-induced synthetic gauge fields and spaces can provide a highly-tunable platform for quantum simulations. Chapter 1 presents a short introduction to the concepts of BECs and our BEC machine. Chapter 2 introduces some basic ideas of how to use light-matter interactions to create synthetic gauge fields and spaces for neutral atoms. Three main research topics of the thesis are summarized below.</p> <p>Chapter 3: Recently, using bosonic quasiparticles (including their condensates) as spin carriers in spintronics has become promising for coherent spin transport over macroscopic distances. However, understanding the effects of spin-orbit (SO) coupling and many-body interactions on such a spin transport is barely explored. We study the effects of synthetic SO coupling (which can be turned on and off, not allowed in usual materials) and atomic interactions on the spin transport in an atomic BEC.</p> <p>Chapter 4: Interplay between matter and fields in physical spaces with nontrivial geometries can lead to phenomena unattainable in planar spaces. However, realizing such spaces is often impeded by experimental challenges. We synthesize real and curved synthetic dimensions into a Hall cylinder for a BEC, which develops symmetry-protected topological states absent in the planar counterpart. Our work opens the door to engineering synthetic gauge fields in spaces with a wide range of geometries and observing novel phenomena inherent to such spaces.</p> <p>Chapter 5: Rotational properties of a BEC are important to study its superfluidity. Recent studies have found that SO coupling can change a BEC's rotational and superfluid properties, but this topic is barely explored experimentally. We study rotational dynamics of a SO-coupled BEC in an effective rotating frame induced by a synthetic magnetic field. Our work may allow for studying how SO coupling modify a BEC's rotational and superfluid properties.</p> <p>Chapter 6 presents some possible future directions.</p>

Cette thèse porte sur l’étude du transport de charge et de spin dans les nanostructures 0D, 2D et les hétérostructures 2D-0D de Van der Waals (h-VdW). Les nanocristaux pérovskite de La0.67Sr0.33MnO3 ont révélé des magnétorésistances (MR) exceptionnelles à basse température résultant de l’aimantation de leur coquille indépendamment du coeur ferromagnétique. Les transistors à effet de champ à base de MoSe2 ont permis d’élucider les mécanismes d’injection de charge à l’interface metal/semiconducteur 2D. Une méthode de fabrication des h-VdW adaptés à l’électronique à un électron est rapportée et basée sur la croissance d’amas d’Al auto-organisés à la surface du graphene et du MoS2. La transparence des matériaux 2D au champ électrique permet de moduler efficacement l’état électrique des amas par la tension de grille arrière donnant lieu aux fonctionnalités de logique à un électron. Les dispositifs à base de graphene présentent des MR attribuées aux effets magnéto-Coulomb anisotropiques. / This thesis investigates the charge and spin transport processes in 0D, 2D nanostructures and 2D-0D Van der Waals heterostructures (VdWh). The La0.67Sr0.33MnO3 perovskite nanocrystals reveal exceptional magnetoresistances (MR) at low temperature driven by their paramagnetic shell magnetization independently of their ferromagnetic core. A detailed study of MoSe2 field effect transistors enables to elucidate a complete map of the charge injection mechanisms at the metal/MoSe2 interface. An alternative approach is reported for fabricating 2D-0D VdWh suitable for single electron electronics involving the growth of self-assembled Al nanoclusters over the graphene and MoS2 surfaces. The transparency the 2D materials to the vertical electric field enables efficient modulation of the electric state of the supported Al clusters resulting to single electron logic functionalities. The devices consisting of graphene exhibit MR attributed to the magneto-Coulomb effect.

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