Clivage de spin et effets collectifs dans les hétérostructures à puits quantiques InAs/AlSb

Spin splitting and collective effects in InAs/AlSb quantum well heterostructures

• Auteur / Autrice : Sergey Krishtopenko
• Direction : Michel Goiran, Vladimir I. Gavrilenko
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs magnétiques

Puits quantiques

Ondes de spin

Mots clés libres

2D electron gas

G-factor enhancement

Narrow-gap heterostructures

Larmor theorem

Rashba spin splitting

Kohn theorem

E-e interaction

Persistent photoconductivity

Résumé

Les travaux de cette thèse, essentiellement théorique, concernent l'étude des phénomènes dépendants du spin, à un électron et à n-corps, dans les puits quantiques (PQ) de semiconducteurs (SC) à faible gap InAs/AlSb. Les résultats obtenus permettent de prévoir de nouveaux effets physiques, ils sont comparés aux résultats expérimentaux existants. L'asymétrie du champ électrique aux interfaces InAs/AlSb est étudiée expérimentalement et théoriquement, son effet sur le spectre d'énergie des sous bandes électriques est mis en évidence. La possibilité de contrôler optiquement ce champ électrique, et par là le clivage de spin par effet Rashba sous champ magnétique nul, est démontrée. La prise en compte des interactions e-e sur les niveaux de Landau des quasi-particules ainsi que sur la densité d'états au niveau de Fermi est réalisée dans ce système pour la première fois. Le calcul théorique de l'exaltation du facteur g par échange dans les puits quantiques à faible gap est développé. Le calcul permet de prédire l'évolution du facteur g "magnéto-optique" dans les hétérostructures InAs/AlSb déterminé par résonance de spin, il met en évidence la violation du théorème de Larmor dans les hétérostructures à base de SC à faible gap. L'étude théorique de la résonance cyclotron, en régime quantique, d'un gaz bidimensionnel d'électrons de haute mobilité démontre aussi la violation du théorème de Kohn dans les hétérostructures InAs/AlSb. Les résultats obtenus dans ce travail de thèse apportent des informations utiles pour le "design" et la mise au point de nouveaux dispositifs électroniques ou optoélectroniques basés sur des hétérostructures InAs/AlSb.

The Thesis is devoted to the study of "single-particle" and "many-body" spin-related phenomena in narrow-gap InAs/AlSb quantum well (QW) heterostructures. The scientific significance of the results obtained consists in the discovering and prediction of new physical effects. The asymmetry of the built-in electric field in InAs/AlSb QW heterostructures has been probed both experimentally and theoretically and its effect on the electron energy spectrum splitting in electric subbands is demonstrated. A principle possibility to control by optical means the "built-in" electric field and the Rashba spin splitting in zero magnetic field is exhibited. The theoretical investigation into e-e interaction effect on quasiparticle Landau levels and density-of-states at the Fermi level is undertaken for the first time. Theory of the exchange enhancement of quasiparticle g-factor in narrow gap QW heterostructures is developed in the Thesis. Calculation results on the "magnetooptical" g-factor in InAs/AlSb heterostructure measured in electron spin resonance are the first demonstration of Larmor theorem violation in narrow gap QW heterostructures. Cyclotron resonance study in the samples with high mobility 2D electron gas in quantizing magnetic fields provides evidences of Kohn theorem violation in InAs/AlSb heterostructures. The results obtained in the Thesis can be utilized at the designing new electronic and optoelectronic units as well the spintronic devices based on InAs/AlSb heterostructures.