Institut des
NanoSciences de Paris
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Nanostructures et systèmes quantiques

Excitations collectives de spin dans les nanostructures

Nous étudions les excitations de spin dans des nanostructures bi- et unidimensionnelles de semi-conducteurs, principalement par spectroscopie Raman et, en collaboration, par des techniques pompe-sonde de rotation Kerr ou bien d’émission THz résolue en temps.

Effets spin-orbite géants sur les ondes de spin
(Collaboration avec l’Université de York et l’Université du Missouri, Royal Society)

Une structure telle qu’un puits quantique dopé possède une asymétrie d’inversion du fait du champ électrique asymétrique des donneurs ionisés. Elle est le siège de champ spin-orbite de type Rashba importants. Chaque électron en mouvement dans le plan du puits voit donc un champ spin-orbite (champ magnétique effectif), proportionnel à sa vitesse, qui se couple à son spin. Il en résulte qu’une excitation collective de spin voit soit cohérence détruite par l’inhomogénéité des champs spin-orbite que chaque électron individuel perçoit. Nous avons montré qu’une onde de spin se propageant dans un tel gaz était immunisé contre ce mécanisme. Du fait de l’interaction de Coulomb, les champs spin-orbite « s’organisent » pour donner un champ unique, un champ spin-orbite collectif, agissant sur l’onde de spin [12]. Le même phénomène a été observé sur les ondes de spin dans CdMnTe [13]. Cette organisation renforce également le champ spin-orbite d’un facteur 6 (dépendant de la densité), si bien que la constant Rashba « collective » est de l’ordre de 20meV.Å, ce qui est comparable à SrTiO3, système où les champs spin-orbites sont considérés comme géants.

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Spin-Orbit (SO) collective field and magnetic moment µ. (a) Components of the collective SO field parallel (filled circles) and perpendicular (open circles) to q for q 8.0 µm-1, as extracted from the data and compared with theory (lines). (b) Spin-plasmon magnetic moment, experimental (squares) and theoretical (line). (c) Minimum (open diamonds) and maximum (filled diamonds) SO field versus q, compared to theoretical values (lines). (d) Spin-plasmon magnetic moment averaged over , experimental (squares) and theoretical (line), as a function of q. From Ref. [12].

[12] Giant collective spin-orbit _eld in a quantum well : Fine structure of spin plasmons. F. Baboux, F. Perez, C. A. Ullrich, I. D’Amico, J. G_omez, and M. Bernard, Phys. Rev. Lett. 109, 166401 (2012).

[13] Coulomb-Driven Organization and Enhancement of Spin-Orbit Fields in Collective Spin Excitations. F. Baboux , F. Perez, C. A. Ullrich, I. D’Amico, G. Karczewski and T. Wojtowicz, Rapid Communications, Phys. Rev. B 87, 121303(R) (2013).

Ondes électromagnétiques THz emises par la précession des spins
(Collaboration avec le laboratoire Pierre Aigrain, Ecole Normale, rue d’Ulm, CNANO IdF)

A l’aide d’une impulsion optique femto-seconde, nous avons mis les spins d’un gaz d’électrons contenus dans un puits de CdMnTe. Les spins précessent en cohérence ce qui provoque le rayonnement d’une onde à la fréquence de précession qui a pu être ajustée dans le domaine THz en jouant sur la concentration d’impuretés Mn. Nous avons mesuré ce champ transitoire et démontré que la précession des spins était la source de ce rayonnement. Une modélisation complète du processus de génération, de l’émission et des fréquences de précession a été nécessaire [13].

(a) Time-dependent radiated electric fields of the sample for various applied magnetic fields . The sample was excited by circularly polarized light with an energy per pulse 68nJ/cm2 and a central wavelength of 763nm. A vertical offset is added for clarity. (b) (squares) Amplitude of the transient oscillation extracted From (a), as a function of the magnetic field. (line) Calculated amplitude of the emitted field (see text). (Inset) A near-infrared (NIR) pulse (100 fs) with circular polarization is focused, with normal incidence, on the QW structure. The sample is immersed in a bath of superfluid helium inside a split-coil magnet with a static field B up to 8 T applied along the quantum well plane (parallel to the z direction). The THz transient electric field is collected along the z direction. From [14].

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[14] Terahertz radiation from magnetic excitations in diluted magnetic semiconductors. R. Rungsawang, F. Perez, D. Oustinov, J. Gomez, V. Kolkovsky, G. Karczewski, T. Wojtowicz, J. Mad´eo, N. Jukam, S. Dhillon and J. Tignon, Phys. Rev. Lett. 110, 177203 (2013).

Excitations de spin dans les gaz d’électrons polarisés en spin
(Collaboration avec l’IFPAN de Varsovie, le King’s College de Londres et L’université de Bath)

Nous avons introduit un système modèle pour étudier les ondes de spin d’un conducteur polarisé en spin. Il s’agit d’un puit quantique Cd1-xMnxTe contenant un gaz d’électrons bidimensionnels. L’ajout de 1% d’impuretés magnétiques de Mn introduit un champ d’échange local ajustable par la polarisation en spin des Mns et par leu concentration x. Le système formé est un gaz d’électrons fortement polarisé en spin, sans quantification orbitale ce qui a le mérite de procurer une haute mobilité aux électrons (µ $10^5 cm^2$/Vs) tout en imitant la physique du spin de l’état électronique d’un ferromagnétique dans un semi-magnétique dilué. Nous avons mesuré les ondes de spin de ce système [1,2], montré que la cinétique des porteurs induit une décohérence intrinsèque [3] et nous avons également modélisé ce gaz d’électrons [4] et ses excitations [5]. L’accès à la résolution en spin des interactions de Coulomb nous a permis de démontrer le renforcement de la susceptibilité de Pauli, conséquence de l’auto-alignement des spins des électrons par interaction d’échange [6-8]. Ces études ont fait l’objet d’un chapitre de livre [9].

Comparison between Raman spectra (a) at different q values taken on sample B with the corresponding calculated spectra (b) and (c). Part (b) is obtained from the collective response and part (c) from the single-particle response. From Ref.[2]

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Publications sur ce sous-thème :

[9] Spectroscopy of spin polarized 2d carrier gas : spin resolved interactions. In Introduction to the Physics of Di- luted Magnetic Semiconductors, Perez, F. and Kossacki, P., volume 144 of Springer Series in Materials Science, 335-382. Springer (2010), Kossut, J. and Gaj, J., editors.

[8] From spin flip excitations to the spin susceptibility enhancement of a two-dimensional electron gas, Perez, F., Aku-leh, C., Richards, D., Jusserand, B., Smith, L. C., Wolverson, D., and Karczewski, G. , Phys. Rev. Lett. 99, 026403 Jul (2007).

[7] Measuring the spin polariza- tion and zeeman energy of a spin-polarized electron gas : Comparison between raman scattering and photoluminescence, Aku-Leh, C., Perez, F., Jusserand, B., Richards, D., Pacuski, W., Kos- sacki, P., Menant, M., and Karczewski, G. Phys. Rev. B 76, 155416 Oct (2007).

[6] Spin susceptibility enhancement in a two-dimensional hole gas, Boukari, H., Perez, F., Ferrand, D., Kossacki, P., Jusserand, B., and Cibert, J. Phys. Rev. B 73, 115320 Mar (2006).

[5] Spin waves in magnetic quantum wells with coulomb interaction and sd exchange coupling. Perez, F., Cibert, J., Vladimirova, M., and Scalbert, D., Phys. Rev. B 83, 075311 Feb (2011).

[4] Spin-polarized two-dimensional electron gas embedded in a semimagnetic quantum well : Ground state, spin responses, spin exci- tations, and raman spectrum. Perez, F. , Phys. Rev. B 79, 045306 Jan (2009).

[3] Intrinsic damping of spin waves by spin current in conducting two-dimensional systems. Gomez, J., Perez, F., Hankiewicz, E. M., Jusserand, B., Karczewski, G., and Wojtowicz, T., Phys. Rev. B 81, 100403(R) Mar (2010).

[2] Dynamical corrections to spin-wave excitations in quantum wells due to coulomb interactions and magnetic ions. Aku-Leh, C., Perez, F., Jusserand, B., Richards, D., and Karczewski, G., Phys. Rev. B 83, 035323 Jan (2011).

[1] Spin excitations of the spin-polarized electron gas in semimagnetic quantum wells. Jusserand, B., Perez, F., Richards, D. R., Karczewski, G., Wojtowicz, T., Testelin, C., Wolverson, D., and Davies, J. J. , Phys. Rev. Lett. 91, 086802 Aug (2003).

Dynamiques des excitations de spin dans les gaz d’électrons polarisés en spin
(Collaboration avec l’Université Montpellier II, ANR)

Dans le cadre d’un programme ANR, nous avons utilisé le système modèle précédent pour étudier la dynamique et la propagation des ondes de spin du gaz d’électrons par une technique pompe-sonde à une ou deux faisceaux. Lorsqu’une seule pompe est présente, seules les ondes de centre de zone sont excitées. Ces dernières se décomposent en deux branches d’excitations, où les spins des électrons et ceux des impuretés Mn oscillent en phase (mode acoustique) ou en opposition de phase (mode optique). Ces deux modes s’anti-croisent pour un champ magnétique particulier. Les dynamiques se croisent. Le gap d’anti-croisement reflète la force des interactions [10].

(a) Spin precession frequencies and (b) decay times extracted from Kerr rotation measurements under magnetic field B=1–6 T. Insets show the frequencies (a) and the intensities A of the two coupled modes in the resonance region. Symbols show the experimental data, lines are the best fit. From Ref.[10]

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[11] Electron spin dephasing in Mn-based II-VI diluted magnetic semiconductors, Z. Ben Cheikh, S. Cronenberger, M. Vladimirova, D. Scalbert, F. Perez, and T. Wojtowicz. Phys. Rev. B Rapid. 88, 201306(R) (2013).

[10] Collective nature of two-dimensional electron gas spin excitations revealed by exchange interaction with magnetic ions. Barate, P., Cronenberger, S., Vladimirova, M., Scalbert, D., Perez, F., G_omez, J., Jusserand, B., Boukari, H., Ferrand, D., Mariette, H., Cib- ert, J., and Nawrocki, M., Phys. Rev. B 82, 075306 Aug (2010).