Étude de l'influence de la concentration et de la température sur le temps de relaxation de spin des donneurs immergés dans un puit quantique du CdTe

Influence of the concentration and temperature on the spin relaxation time of donor-bound electrons immersed in a CdTe quantum well

• Auteur / Autrice : Guadalupe García Arellano
• Direction : Maria Chamarro, Frédérick Bernardot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 29/11/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Deleporte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gabriel Hétet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Masha Vladimirova, Pierre Gilliot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interactions hyperfines

Semiconducteurs

Relaxation (physique nucléaire)

Spin

États cohérents

Mots clés libres

Semiconducteur

Puits quantique

Cohérence

Spin

Énergie d'échange

Effet Faraday

Pompe-sonde

Couplage spin-orbit

Semiconductor

Quantum wells

Coherence

Spin

Exchange energy

Faraday effect

Pump-probe

Spin-orbit coupling

Résumé

Ce travail présente une étude de l'influence de la concentration de dopage, de la température et du champ magnétique longitudinal sur le temps de relaxation de spin des électrons liés aux donneurs immergés au milieu d'un puits quantique (PQ) de CdTe. En insérant les donneurs dans un PQ, les règles de sélection optique de la lumière polarisée circulairement sont purifiées, ce qui permet un meilleur degré d'orientation optique des spins des électrons que dans les cristaux 3D. En utilisant une technique de rotation Faraday photo-induite, nous mesurons d’abord le temps de relaxation de spin des électrons liés aux donneurs pour différentes concentrations de dopage à basse température dans le régime isolant. Ensuite, pour évaluer les mécanismes de relaxation de spin dans notre système, nous calculons l'énergie d'échange d'une paire d'électrons liés aux donneurs immergés au milieu d'un PQ infini, pour toute distance inter-donneur et différentes épaisseurs. En utilisant ce calcul, nous expliquons le comportement expérimental comme une interaction de deux mécanismes : l’interaction hyperfine et l’anisotrope d’échange. De plus, nous déterminons la constante spin-orbite dans CdTe αso = 0.079. Ensuite, nous présentons le développement d’une expérience pompe-sonde étendue permettant de mesurer les temps de relaxation de spin à l’échelle microseconde. Nous discutons brièvement des premiers résultats expérimentaux pour le temps de relaxation de spin longitudinal d'électrons liés aux donneurs immergés dans un PQ de CdTe avec différentes concentrations de dopage. Enfin, nous étudions l'évolution en température de la relaxation de spin de 10 à 80 K. On explique le comportement expérimental en invoquant l'échange de spin entre les électrons localisés et le spin d'électrons promus en états de conduction. Le spin des électrons localisés subit l’effet des interactions hyperfine et anisotrope, le mécanisme de D’yakonov-Perel’ régit la relaxation de spin des électrons de conduction.

This work presents a study of the influence of doping concentration, temperature and longitudinal magnetic field on the spin relaxation time of donor-bound electrons immersed in the middle of a CdTe quantum well (QW). By inserting the donors in a QW, the optical selection rules for circularly polarized light are purified, allowing a higher degree of optical orientation of the electron spins than in 3D crystals. By using a photo-induced Faraday rotation technique, we first measure the spin relaxation time of donor-bound electrons for different doping concentrations at low temperature in the insulating regime. Then, in order to evaluate the spin relaxation mechanisms in our system, we calculate the exchange energy of a pair of donor-bound electrons immersed in the middle of an infinite QW, for any inter-donor distance and for different thicknesses. By using this calculation, we explain the experimental behavior as an interplay of two mechanisms: hyperfine and anisotropic exchange interactions. Moreover we determine the CdTe spin-orbit constant: αso = 0.079. Afterwards we present the development of an extended pump-probe experiment allowing to measure spin relaxation times at the microsecond scale. We briefly discuss the first experimental results for the longitudinal spin relaxation time of donor-bound electrons immersed in a CdTe QW with different doping concentrations. Finally, we investigate the temperature evolution of the spin relaxation in the range 10-80 K. The experimental behavior is explained by invoking spin exchange between electron spins localized on donors and the spin of electrons promoted to conduction states. The spin of localized electrons undergoes the effect of hyperfine and anisotropic exchange interactions, the D’yakonov-Perel’ mechanism governs the spin relaxation of the conduction electrons.