Probing Spin-Polarized Currents in the Quantum Hall Regime

An experiment to probe spin-polarized currents in the quantum Hall regime is suggested that takes advantage of the large Zeeman-splitting in the paramagnetic diluted magnetic semiconductor zinc manganese selenide (Zn$_{1-x}$Mn$_x$Se). In the proposed experiment spin-polarized electrons are injected by ZnMnSe-contacts into a gallium arsenide (GaAs) two-dimensional electron gas (2DEG) arranged in a Hall bar geometry. We calculated the resulting Hall resistance for this experimental setup within the framework of the Landauer-B\"uttiker formalism. These calculations predict for 100% spininjection through the ZnMnSe-contacts a Hall resistance twice as high as in the case of no spin-polarized injection of charge carriers into a 2DEG for filling factor $\nu=2$. We also investigated the influence of the equilibration of the spin-polarized electrons within the 2DEG on the Hall resistance. In addition, in our model we expect no coupling between the contact and the 2DEG for odd filling factors of the 2DEG for 100% spininjection, because of the opposite sign of the g-factors of ZnMnSe and GaAs.Comment: 7 pages, 5 figure

Digital Support to Multimodal Community-Based Prehabilitation: Looking for Optimization of Health Value Generation

Prehabilitation has shown its potential for most intra-cavity surgery patients on enhancing preoperative functional capacity and postoperative outcomes. However, its large-scale implementation is limited by several constrictions, such as: i) unsolved practicalities of the service workflow, ii) challenges associated to change management in collaborative care; iii) insufficient access to prehabilitation; iv) relevant percentage of program drop-outs; v) need for program personalization; and, vi) economical sustainability. Transferability of prehabilitation programs from the hospital setting to the community would potentially provide a new scenario with greater accessibility, as well as offer an opportunity to effectively address the aforementioned issues and, thus, optimize healthcare value generation. A core aspect to take into account for an optimal management of prehabilitation programs is to use proper technological tools enabling: i) customizable and interoperable integrated care pathways facilitating personalization of the service and effective engagement among stakeholders; ii) remote monitoring (i.e. physical activity, physiological signs and patient-reported outcomes and experience measures) to support patient adherence to the program and empowerment for self-management; and, iii) use of health risk assessment supporting decision making for personalized service selection. The current manuscript details a proposal to bring digital innovation to community-based prehabilitation programs. Moreover, this approach has the potential to be adopted by programs supporting long-term management of cancer patients, chronic patients and prevention of multimorbidity in subjects at risk

Entwurf und Charakterisierung von Quantendrahtintersubbandlaserstrukturen

Quantenkaskadenlaser (QCLs) stellen kompakte kohärente Lichtquellen im Spektralbereich des mittleren Infrarot dar. Trotz erheblicher Fortschritte besitzen QCLs im Vergleich zu Interbanddiodenlasern hohe Schwellenstromdichten aufgrund des geringen Materialgewinns und kurzer Intersubbandlebenszeiten. Theoretische Berechnungen sagen in QCLs eine Verringerung der nichtstrahlenden Streuraten bei Reduzierung der Dimensionalität der aktiven Region voraus. Der optische Übergang findet dann nicht mehr zwischen Zuständen in gekoppelten Quantentöpfen, sondern in Quantendrähten oder -punkten statt. In dieser Arbeit wurden daher Quantendrahtintersubbandlaserstrukturen entworfen und sowohl elektrisch als auch spektral charakterisiert. Die Herstellung dieser Proben erfolgte mit der Methode des Überwachsens von Spaltflächen (engl. cleaved-edge overgrowth, CEO). Dabei diente eine konventionelle undotierte Quantenkaskadenlaserstruktur gemäß Sirtori et al. im AlGaAs/GaAs-Materialsystem als Grundlage. Solche Proben wurden gespalten und danach wird in einem zweiten Wachstumsschritt durch eine Modulationsdotierung ein zusätzliches Einschlusspotential für die eingebrachten Elektronen entlang der [110]-Richtung erzeugt. Es konnte gezeigt werden, dass sich dadurch zusammen mit dem Einschluss der Elektronen durch die Quantentöpfe entlang der [001]-Richtung quantendrahtartige Zustände an der Spaltfläche ausbilden. Die Einschränkung der Dimensionalität des Elektronensystems in dem Quantendrahtsystem führt im Vergleich zu einem Quantenfilmsystem sowohl zu einer Verringerung der Übergangszeiten zwischen Zuständen, die energetisch wesentlich weiter als die Energie eines longitudinal optischen (LO-) Phonons auseinander liegen, als auch zu einer Erhöhung der Besetzungsinversion. Aufgrund des schwachen Einschlusspotentials der Elektronen entlang der [110]-Richtung bilden sich allerdings eine Vielzahl angeregter Zustände zwischen dem oberen und unteren Laserniveau aus, in die Elektronen aus dem oberen Niveau heraus streuen können. Dadurch wird in der betrachteten Quantendrahtstruktur die Gesamtlebenszeit des oberen Laserzustands verringert und zwar derart, dass sie sogar geringer als in der zugrunde liegenden Quantenfilmstruktur ist. In dieser Arbeit wurde der zu erwartende Materialgewinn in Quantendrahtsystemen berechnet, wobei gezeigt werden konnte, dass dieser aufgrund der geringeren Lebenszeit des oberen Laserniveaus geringer ist als im Quantenfilmsystem. Im Rahmen dieser Arbeit wurde durch das Lösen der skalaren Wellengleichung in zwei Dimensionen ein T-förmiger Wellenleiter für die Quantendrahtintersubbandlaserstrukturen entwickelt. Dabei stellte sich heraus, dass die Wellenleiterverluste gegenüber einem konventionellen QCL reduziert sind. Allerdings ist aufgrund der viel kleineren optisch aktiven Region an der Spaltfläche, wo sich die Quantendrähte befinden, der Füllfaktor sehr viel kleiner als dies in einem konventionellen QCL der Fall ist. Es konnte gezeigt werden, dass dies zu Schwellenstromdichten führt, die wesentlich größer als für einen konventionellen QCL sind und deshalb Laseraktivität in den hier betrachteten Quantendrahtstrukturen verhindern. Neben der strukturellen Charakterisierung der Quantendrahtstrukturen mittels Rasterkraftmikroskopie und konfokaler Mikro-Ramanspektroskopie wurden die Proben auch auf ihre elektrischen und spektralen Eigenschaften hin untersucht. Hierzu diente die stromkontrollierte und gepulste Aufnahme von Strom-Spannungs- (I-U) Kennlinien bei unterschiedlichen Temperaturen und Tastverhältnissen. Die Elektrolumineszenzspektren wurden mithilfe von Fourier-Spektroskopie ermittelt. Für den ersten Wachstumsschritt, der eine konventionelle undotierte QCL-Struktur darstellt, konnte ein strominduziertes Aufheizen des Bauteils festgestellt und erklärt werden. Dies hat sowohl Auswirkungen auf die I-U-Kennlinien als auch auf die Elektrolumineszenzspektren. Das Aufheizen der Probe liegt in einem hohen Probenwiderstand begründet, der durch die Modulationsdotierung entlang der [110]-Richtung reduziert wird, und daher bei den Quantendrahtintersubbandemittern weniger stark ausgeprägt ist. In diesem Zusammenhang wurde der Einfluss der Konzentration in der Modulationsdotierung auf die I-U-Kennlinien und das strominduzierte Aufheizen der Proben untersucht. Messungen in Abhängigkeit vom Tastverhältnis untermauern die Theorie zum Einfluss des strominduzierten Aufheizens. Die erhaltenen Ergebnisse werden ebenso durch temperaturabhängige Messungen gestützt. Polarisationsabhängige Messungen konnten allerdings nicht klären, ob die beobachtete Intersubbandelektrolumineszenz aus dem Quantendrahtsystem oder dem zugrunde liegenden Quantenfilmsystem stammt. Diese Arbeit diskutiert die Herausforderungen bei der Realisierung von QCLs mit Quantendrähten im Detail. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse liefern Erkenntnisse, die für zukünftige Entwürfe niederdimensionaler QCLs wertvoll sind

Role of excited states for the material gain and threshold current density in quantum wire intersubband laser structures

We calculated the material gain and the threshold current density for quantum wire intersubband laser structures. In quantum cascade laser devices with active regions of lower dimensionality a reduction of the non-radiative losses and consequently an increase in the material gain and a reduction of the threshold current density is predicted. In our calculations of the material gain and the threshold current density for a realistic quantum wire intersubband laser structure fabricated by the cleaved edge overgrowth (CEO) technique, however, it turns out that excited states formed in those structures even reduce the material gain compared to conventional quantum well cascade lasers. The threshold current density also turns out to be increased due to the reduced material gain on the one hand and due to a small optical confinement factor in such structures on the other hand. The main consequence for the design of such quantum wire laser structures is to avoid the formation of excited states to be able to benefit from the reduction of the dimensionality of the electron system in terms of reduced non- radiative losses