Optical spectroscopy of indirect excitons and electron spins in semiconductor nanostructures

par Chahine Abbas

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Maria Vladimirova et de Denis Scalbert.

Soutenue le 14-10-2019

à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015) , en partenariat avec Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était Brahim Guizal.

Le jury était composé de Maria Vladimirova, Denis Scalbert, Brahim Guizal, Maria Chamarro, Thierry Amand, Vasilii Belykh.

Les rapporteurs étaient Maria Chamarro, Thierry Amand.

  • Titre traduit

    Spectroscopie optique du spin d’excitons indirects et d’électrons dans les nanostructures semi-conductrices


  • Résumé

    Ce travail porte sur l’étude optique de la dynamique de spin de deux systèmes: un gaz d’électrons dans des couches minces de CdTe d’une part et des excitons indirects dans un double puits quantique asymétrique en GaAs d’autre part. Des mesures de photoluminescence résolue en temps et en polarisation, et des mesures de spectroscopie pompe-sonde ont permis la détermination des temps de vie et des temps de relaxation de spin des excitons indirects. Le comportement général de la structure a été décrit, les contraintes techniques ont été mise en évidence et les meilleures conditions expérimentales ont été identifiées. En photoluminescence, nous avons mesuré des temps de vie de l’ordre de la quinzaine de ns et des temps de relaxation de spin de 5 ns dans le meilleur cas. L’utilisation d’un setup de spectroscopie pompe-sonde permettant d’étudier des délais très longs a démontré que des temps plus longs encore peuvent être atteints en séparant d’avantage deux impulsions lasers successives.Pour les électrons dans CdTe nous avons utilisé une autre méthode optique: la spectroscopie de bruit de spin qui s’est récemment imposée comme un outil de choix pour étudier la dynamique de spin dans les semi-conducteurs. Son principe consiste à sonder la dynamique d’un système de spins à travers ses fluctuations spontanées. Pour ce faire, ces fluctuations sont encodées dans le plan de polarisation d’un laser hors résonnant par l’intermédiaire de la rotation Faraday.Alors que les réalisations concrètes de cette technique se limitaient jusqu’à présent aux corrélations temporelles, nous proposons ici la première implémentation permettant d’accéder également aux corrélations spatiales du systèmes de spin. Cet accès à la dynamique spatiale est autorisé par une sélectivité en vecteur d’onde de la lumière diffusée venant de l’échantillon et nous offre l’opportunité de mesurer simultanément le temps de relaxation de spin et le coefficient de diffusion de spin. Ayant ainsi une vision complète de la dynamique de spin dans CdTe, nous avons pu confronter la physique du spin bien connue dans GaAs à nos observations dans CdTe. Contre toutes attentes, il semblerait que nos connaissances de GaAs ne soient pas directement transposables à CdTe.


  • Résumé

    This work provides an optical study of spin dynamics in two different systems: electrons gas in n-doped CdTe thin layers, and indirect excitons in asymmetric GaAs coupled quantum wells. Time and polar resolved photoluminescence and pump-probe spectroscopy allowed the determination of both the lifetime and the relaxation time of indirect excitons.The global behaviour of the dedicated biased sample has been described, major technical constraints have been pointed out and optimal working conditions have been identified. In photoluminescence, we obtained a lifetime of 15 ns and a spin relaxation time of 5 ns. Pump-probe spectroscopy with an exceptional delay range shown that longer characteristic times could be obtained increasing the delay between two laser pulses.An other optical method has been used to study electrons in CdTe thin layers. Spin noise spectroscopy has recently emerged as an ideal tool to study dynamics of spin systems through their spontaneous fluctuations which are encoded in the polarisation state of a laser beam by means of Faraday rotation. Common spin noise setups provide only temporal fluctuations, spatial information being lost averaging the signal on the laser spot. Here, we demonstrate the first implementation of a spin noise setup providing both spatial and temporal spin correlations thanks to a wave vector selectivity of the scattered light. This gave us the opportunity to measure both the spin relaxation time and the spin diffusion coefficient. This complete vision of the spin dynamics in CdTe has been compared to our understanding of spin physics in GaAs. Against all odds, this knowledge seems not to be directly transposable from GaAs to CdTe.


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