Effets spin-orbite géants sur les modes collectifs de spin de puits quantiques

Giant spin-orbit effects on the collective modes of spin quantum wells

• Auteur / Autrice : Florent Baboux
• Direction : Bernard Jusserand, Florent Perez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Concepts fondamentaux de la physique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Excitation coulombienne

Puits quantiques

Semiconducteurs

Résumé

Cette thèse est consacrée à l'étude des effets du couplage spin-orbite dans des puits quantiques semi-conducteurs dopés (GaAs et CdMnTe), par spectroscopie Raman électronique. Dans ces structures existent des champs magnétiques intrinsèques (Dresselhaus et Rashba). Ces champs offrent des moyens attractifs pour manipuler le spin des électrons, mais contribuent aussi à la relaxation de spin via leur dépendance avec le vecteur d'onde de l'électron (mécanisme D'yakonov-Perel'). Nous montrons que pour les modes collectifs de spin de puits quantiques, le scénario destructif D'yakonov-Perel' est transformé en un scénario constructif : les interactions Coulombiennes font émerger un champ spin-orbite collectif, proportionnel au vecteur d'onde de l'excitation, et renforcé d'un facteur de plusieurs unités par rapport aux champs spin-orbite individuels. Nous mettons d'abord en évidence ces effets spin-orbite géants sur le plasmon de spin inter-sous-bande, dans des puits quantiques de GaAs. Le champ spin-orbite collectif, qui conduit à un éclatement de structure fine du spectre plasmon, est superposé à un champ magnétique extérieur et cartographié dans l'espace réciproque. Nous étudions ensuite l'onde de spin intra-sous-bande du gaz d'électrons polarisé en spin, dans des puits quantiques magnétiques dilués de CdMnTe. Le champ spin-orbite collectif se superpose ici au champ Zeeman géant du composé. Nous mesurons le facteur de renforcement du champ spin-orbite collectif. Enfin, nous démontrons la possibilité de contrôler l'amplitude du champ spin-orbite collectif à l'aide d'une grille optique et nous mesurons la dépendance du facteur de renforcement avec la densité électronique.

We have studied the effects of spin-orbit coupling in doped semiconductor quantum wells (GaAs and CdMnTe) with electronic Raman scattering. In these structures exist intrinsic magnetic fields (Dresselhaus and Rashba). These fields offer attractive means to manipulate the electron spin, but contribute also to spin relaxation, through their dependence on the electronic wavevector (D'yakonov-Perel' mechanism). We show that for the collective spin modes of quantum wells, the destructive D'yakonov-Perel' scenario is transformed into a constructive scenario: Coulombic interactions lead to the emergence of a collective spin-orbit field, proportional to the excitation wavector, and several times enhanced with respect to the single-particle spin-orbit fields. We first demonstrate these giant spin-orbit effects on the intersubband spin plasmon, in GaAs quantum wells. The collective spin-orbit field, which produces a fine structure splitting of the plasmon spectrum, is superposed to an external magnetic field and mapped in momentum space. Then, we study the intrasubband spin wave of the spin-polarized electron gas, in diluted magnetic quantum wells of CdMnTe. Here the collective spin-orbit field adds to the giant Zeeman field of the compound. We measure the enhancement factor of the collective spin-orbit field. Finally, we demonstrate the ability to control the amplitude of the collective spin-orbit field through above-barrier illumination and we measure the dependence of the enhancement factor on the electronic density.