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1 Génération et détection optique dondes de spin dans les puits quantiques CdMnTe dopés n Philippe Barate Groupe dEtude des Semiconducteurs CNRS Université

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Présentation au sujet: "1 Génération et détection optique dondes de spin dans les puits quantiques CdMnTe dopés n Philippe Barate Groupe dEtude des Semiconducteurs CNRS Université"— Transcription de la présentation:

1 1 Génération et détection optique dondes de spin dans les puits quantiques CdMnTe dopés n Philippe Barate Groupe dEtude des Semiconducteurs CNRS Université Montpellier 2 France

2 2 Thèse dans le cadre de lANR: Génération Optique dondes de SPIN pour le transport dINFOrmation -GOSPININFO- Florent PEREZ Bernard JUSSERAND Henri MARIETTE Hervé BOUKARI David FERRAND Joël CIBERT Michel DYAKONOV Masha LIFSHITZ Groupes participant à lANR: Collaboration: Alexandre Dimitriev Denis SCALBERT Masha VLADIMIROVA Steeve CRONENBERGER Philippe BARATE

3 3 Plan Introduction Objectifs de lANR Les ondes de spin Les Semiconducteurs Magnétiques Dilués (DMS) Rotation Kerr Résolue en Temps (TRKR) Principe Mise en oeuvre Etude des excitations de spins de vecteur donde nul Échantillons Identification des modes dexcitations de spin Observation des modes couplés et dun mode supplémentaire Modèle au-delà du champ moyen Polarisation en spin déduite de lénergie dinteraction entre les modes couplés Conclusions et perspectives

4 4 Plan Introduction Objectifs de lANR Les ondes de spin Les Semiconducteurs Magnétiques Dilués (DMS) Rotation Kerr Résolue en Temps (TRKR) Principe Mise en oeuvre Etude des excitations de spins de vecteur donde nul Échantillons Identification des modes dexcitations de spin Observation des modes couplés et dun mode supplémentaire Modèle au-delà du champ moyen Polarisation en spin déduite de lénergie dinteraction entre les modes couplés Conclusions et perspectives

5 5 Objectifs de lANR LObjectif de lANR est détudier les ondes de spin dans les gaz 2D délectrons dans le but dutiliser ces ondes pour transporter de linformation. Pour ce faire, il y a deux grande étape : Générer et détecter optiquement les ondes de spins. On peut générer de manière cohérente ou non les ondes de spin. Utiliser ces ondes pour transporter de linformation. Dans ce cas il nous faut générer de manière cohérente londe de spin, et contrôler son vecteur donde. On utilise donc des impulsions lasers pour générer les ondes de spins de manière cohérente soit en Raman stimulé soit en Pompe-sonde. Le contrôle du vecteur donde de londe de spin séffectue avec une technique de mélange à 4 ondes k1k1 k2k2 k k // k // -q k // +q Les résultats obtenus pendant la thèse portent sur les ondes de vecteur donde nul.

6 6 Plan Introduction Objectifs de lANR Les ondes de spin Les Semiconducteurs Magnétiques Dilués (DMS) Rotation Kerr Résolue en Temps (TRKR) Principe Mise en oeuvre Etude des excitations de spins de vecteur donde nul Échantillons Identification des modes dexcitations de spin Observation des modes couplés et dun mode supplémentaire Modèle au-delà du champ moyen Polarisation en spin déduite de lénergie dinteraction entre les modes couplés Conclusions et perspectives

7 7 Les ondes de spin Onde de spin de vecteur donde q=1/ Dans les ferromagnétiques londe de spin est une excitation du réseau de spin. Elle a été prédite en 1930 par Bloch et observé en 1957 par Brockhouse. B Onde de spin courant de spin On peut transporter de linformation sans déplacer de charge électrique B.N. Brockhouse Phys. Rev 106,859 (1957) Fe 3 O 4 /2

8 8 Utilisation dun dispositif dinterférométrie de type Mach-Zehnder pour créer des portes logiques. T. Schneider et al. APL 92, (2008) A. Khitun et K.L. Wang Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics 1,71-73 (2006) Utilisation des ondes de spin

9 9 Plan Introduction Objectifs de lANR Les ondes de spin Les Semiconducteurs Magnétiques Dilués (DMS) Rotation Kerr Résolue en Temps (TRKR) Principe Mise en oeuvre Etude des excitations de spins de vecteur donde nul Échantillons Identification des modes dexcitations de spin Observation des modes couplés et dun mode supplémentaire Modèle au-delà du champ moyen Polarisation en spin déduite de lénergie dinteraction entre les modes couplés Conclusions et perspectives

10 10 Introduction : Les Semiconducteurs Magnétiques Dilués Te Cd Mn B k E J=3/2 J=1/2 lh hh c B=0B>0 Approximation du champ moyen + cristal virtuel

11 11 Le renouveau des DMS T. Dietl et al. Science 287, (2000) Semiconducteur de type p x eff =5%n h = cm -3 Modèle de Zener où le ferromagnétisme provient de linteraction déchange p-d. Ce modèle a entrainé une forte recherche dans le domaine Le record actuel dans GaMnAs est une température de Curie de 173K. Dans les matériaux à grand gap la phase ferromagnétique est observée à température ambiante, mais le sujet est largement débattu. K.Y. Wang et al. 27 th International Conférence in the Physics of Semiconductors (2005)

12 12 Ondes de spin dans les gaz 2D délectrons Londe étant un mode collectif dexcitation, daprès le théorème de Larmor son énergie est égale à lénergie Zeeman (Z) en q=0. Les spins flips individuels en q=0 possèdent une énergie Z* plus grande à cause des interactions entre électrons. B. Jusserand et al. PRL 91, (2003) F.Perez et al. PRL 99, (2007) Onde de spin en q=0, x eff =0.75% T=1.5K

13 13 Plan Introduction Objectifs de lANR Les ondes de spin Les Semiconducteurs Magnétiques Dilués (DMS) Rotation Kerr Résolue en Temps (TRKR) Principe Mise en oeuvre Etude des excitations de spins de vecteur donde nul Échantillons Identification des modes dexcitations de spin Observation des modes couplés et dun mode supplémentaire Modèle au-delà du champ moyen Polarisation en spin déduite de lénergie dinteraction entre les modes couplés Conclusions et perspectives

14 14 Rotation Kerr résolue en temps : principes B MyMy t Rotation Kerr résolue en temps θ M y Orientation optiqueEffet Kerr B2 : puits quantique CdMnTe n e = cm -2 x eff =0.29% T eff =5.8K B=1T manganèses électrons

15 15 Plan Introduction Objectifs de lANR Les ondes de spin Les Semiconducteurs Magnétiques Dilués (DMS) Rotation Kerr Résolue en Temps (TRKR) Principe Mise en oeuvre Etude des excitations de spins de vecteur donde nul Échantillons Identification des modes dexcitations de spin Observation des modes couplés et dun mode supplémentaire Modèle au-delà du champ moyen Polarisation en spin déduite de lénergie dinteraction entre les modes couplés Conclusions et perspectives

16 16 fente + miroir Rotation Kerr résolue en temps : mise en oeuvre Laser titane saphir réseau L.R. Hacheur L.S. E.O.M. P.W fente + miroir échantillon L.S. : lame séparatrice L.R. : ligne à retard E.O.M. : Modulateur élasto-optique P.W. : Prisme de Wollaston /2 polariseur Faisceau pompe Faisceau sonde 3° Millenia Expanseur de faisceau Lock-in in out sync Lock-in in out sync Signal rotation Kerr 50kHz

17 17 Plan Introduction Objectifs de lANR Les ondes de spin Les Semiconducteurs Magnétiques Dilués (DMS) Rotation Kerr Résolue en Temps (TRKR) Principe Mise en oeuvre Etude des excitations de spins de vecteur donde nul Échantillons Identification des modes dexcitations de spin Observation des modes couplés et dun mode supplémentaire Modèle au-delà du champ moyen Polarisation en spin déduite de lénergie dinteraction entre les modes couplés Conclusions et perspectives

18 18 Echantillons Cd 0.88 Zn 0.12 Te Cd Zn Mg 0.2 Te Cd Mn Te Cd Zn Mg 0.2 Te Cd Zn Mg 0.2 Te:Al Cd Zn Mg 0.2 Te 10 nm 500 nm 20 ou 60 nm 40nm M1118 et M1120 GaAs Cd 0.8 Mg 0.2 Te Cd Mn Te Cd 0.8 Mg 0.2 Te Cd 0.8 Mg 0.2 Te:Al Cd 0.8 Mg 0.2 Te 15 nm 100 nm 20 nm 40nm B2 n e cm -2 x eff % w nm M ± B22.4± M ± M ±

19 19 Plan Introduction Objectifs de lANR Les ondes de spin Les Semiconducteurs Magnétiques Dilués (DMS) Rotation Kerr Résolue en Temps (TRKR) Principe Mise en oeuvre Etude des excitations de spins de vecteur donde nul Échantillons Identification des modes dexcitations de spin Observation des modes couplés et dun mode supplémentaire Modèle au-delà du champ moyen Polarisation en spin déduite de lénergie dinteraction entre les modes couplés Conclusions et perspectives

20 20 Identification des modes en Rotation Kerr Zeeman Echange Échantillon M1120 n e = cm -2 x eff =0.25%

21 21 Plan Introduction Objectifs de lANR Les ondes de spin Les Semiconducteurs Magnétiques Dilués (DMS) Rotation Kerr Résolue en Temps (TRKR) Principe Mise en oeuvre Etude des excitations de spins de vecteur donde nul Échantillons Identification des modes dexcitations de spin Observation des modes couplés et dun mode supplémentaire Modèle au-delà du champ moyen Polarisation en spin déduite de lénergie dinteraction entre les modes couplés Conclusions et perspectives

22 22 Observation des modes couplés en Raman F. J. Teran et al, PRL 91, (2003) J. König and A. H. MacDonald PRL 91, (2003) Mne-e-

23 23 Observation des modes couplés et dun mode supplémentaire en TRKR TRKR FFT B=5.7T B=5.8T B=5.9T B=6T B=6.05T B=6.1T Échantillon M1120 T eff =3.8K n e = cm -2 x50 x5

24 24 Equations de Bloch couplées en champ moyen Linéarisation B z x y On retrouve les 2 modes qui santicroisent si La partie imaginaire de ± donne les temps de relaxation des 2 modes.

25 25 Comparaison théorie expérience pour les modes couplés Le modèle ajuste en même temps les fréquences des modes couplés et leur temps de relaxation. On observe un bon accord entre le modèle et les mesures. Échantillon M1120 T eff =3.8K n e = cm -2 Δ=1.2 meV K=0.34 μeV e =15ps

26 26 Plan Introduction Objectifs de lANR Les ondes de spin Les Semiconducteurs Magnétiques Dilués (DMS) Rotation Kerr Résolue en Temps (TRKR) Principe Mise en oeuvre Etude des excitations de spins de vecteur donde nul Échantillons Identification des modes dexcitations de spin Observation des modes couplés et dun mode supplémentaire Modèle au-delà du champ moyen Polarisation en spin déduite de lénergie dinteraction entre les modes couplés Conclusions et perspectives

27 27 Modèle tenant compte de la distribution spatiale des manganèses Linéarisation 1N 2 modes couplés N-1 modes découplés avec et

28 28 Modèle tenant compte de la distribution spatiale des manganèses 1 N 1N 1N Les deux modes couplés - et + Un mode découplé possible parmi les N-1 permis.

29 29 Plan Introduction Objectifs de lANR Les ondes de spin Les Semiconducteurs Magnétiques Dilués (DMS) Rotation Kerr Résolue en Temps (TRKR) Principe Mise en oeuvre Etude des excitations de spins de vecteur donde nul Échantillons Identification des modes dexcitations de spin Observation des modes couplés et dun mode supplémentaire Modèle au-delà du champ moyen Polarisation en spin déduite de lénergie dinteraction entre les modes couplés Conclusions et perspectives

30 30 Mesure du gap danticroisement

31 31 Mesure de la polarisation de spin des électrons n e (cm -2 )0.7x x x x10 11 E F (meV) (meV) T eff (K) B 0 (T) W (nm) (µeV) e (ps) K (µeV) On mesure une polarisation de spin plus grande que celle calculée sans interaction entre électrons.

32 32 Comparaison des théories sur laugmentation de la polarisation Laugmentation de la polarisation est un due à des interactions à N-corps Lapproximation dHartree-Fock diverge à r s 2.1 La théorie dAttaccalite dépend peu de la polarisation du gaz en dessous de =0.4 Attaccalite et al PRL (2002)

33 33 Comparaison entre la théorie et les mesures Nos mesures sont en accord semi-quantitatif avec la théorie dAttaccalite. Cependant on mesure systématiquement une polarisation plus grande que prévue. C. Aku-Leh et al PRB (2007)

34 34 Plan Introduction Objectifs de lANR Les ondes de spin Les Semiconducteurs Magnétiques Dilués (DMS) Rotation Kerr Résolue en Temps (TRKR) Principe Mise en oeuvre Etude des excitations de spins de vecteur donde nul Échantillons Identification des modes dexcitations de spin Observation des modes couplés et dun mode supplémentaire Modèle au-delà du champ moyen Polarisation en spin déduite de lénergie dinteraction entre les modes couplés Conclusions et perspectives

35 35 Conclusions et perspectives Conclusions Identification de londe de spin en TRKR. Développement dun modèle tenant compte de la distribution spatiale en manganèses pour expliquer lapparition dun mode découplé à lanticroisement Mesure de la polarisation en spin différentes en Raman et en Pompe- sonde. Variation du temps de relaxation de londe de spin. Amélioration de la détection des ondes de spin par la mise en forme des impulsions. Perspectives Mettre en place le mélange à 4 ondes pour étudier les ondes en q0. Etudier lanticroisement en q0 Démontrer la propagation des ondes de spin. Optimiser les lignes à dispersion pour améliorer la génération des ondes de spin. Etudier un plus grand nombre déchantillons pour confirmer ou non laugmentation de la polarisation par rapport au modèle

36 Merci de votre attention

37 37

38 38 k1k1 k2k2 k k // k // -q k // +q

39 39

40 40 Excitations de spins présentent dans un puits quantique CdMnTe Zeeman échange Approximation du champ moyen + cristal virtuel

41 41 Polarisation du gaz 2D E k Lobservation donde dans un gaz 2D délectrons nécessite la polarisation en spin du gaz par un champ magnétique Pour éviter dutiliser dans champs trop puissant on utilise des semiconducteurs magnétiques dilués (DMS) spin-flip SPE SFW q E

42 42 a)

43 43

44 44 Identification des modes en Rotation Kerr

45 45 Observation du troisième mode B=6T

46 46 e-e- Mn 2+ e-e- e-e- Modèle au-delà du champ moyen Les N manganèses agissent comme un seul manganèse Les N manganèses agissent indépendamment

47 47

48 48 Comparaison entre Raman et Rotation Kerr

49 49 Observation du troisième mode B=6T x50

50 50 Rotation Kerr résolue en temps : principes B MyMy t MyMy Orientation optique Rotation Kerr résolue en temps θ M y B Effet Kerr

51 51 Anticroisement des modes dexcitations de spins F. J. Teran et al, PRL 91, (2003) J. König and A. H. MacDonald PRL 91, (2003)

52 52

53 53 Observation des modes couplés en TRKR TRKR FFT B=5.7T B=5.8T B=5.9T B=6T B=6.05T B=6.1T Échantillon M1120 T eff =3.8K n e = cm -2 x50

54 54 Conclusions et perspectives Conclusions Identification de londe de spin en TRKR. Résolution de lanticroisement et apparition dun troisième mode + modèle au-delà du champ moyen. Mesure de la polarisation en spin du gaz délectrons. Mesure du temps de relaxation de londe de spin. Mise en forme des impulsions pour améliorer la génération et la détection des ondes de spin. Perspectives Mettre en place le mélange à 4 ondes pour étudier les ondes en q0. Etudier lanticroisement en q0 Démontrer la propagation des ondes de spin. Etudier un plus grand nombre déchantillons pour confirmer ou non laugmentation de la polarisation par rapport au modèle Optimiser les lignes à dispersion.


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