Relaxation de spin dans du CuCl massif et des puits quantiques de CdTe

Spin relaxation in bulk CuCl and CdTe quantum wells

• Auteur / Autrice : Hamid Rahimpour Soleimani
• Direction : Bernd Hönerlage
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tellurure de cadmium

Chlorure cuivreux

Polaritons

Puits quantiques

Spin

Relaxation, Phénomènes de

Composés semiconducteurs

Mots clés libres

Tellurure de cadmium manganèse

Résumé

Nous avons étudié la dynamique de relaxation de spin par des expériences pompe-sonde non-dégénérées. Ceci est possible si les transitions des états dégénérés vers d'autres états sont mutuellement permises ou interdites pour les différentes polarisations de la lumière excitatrice. Nous avons appliqué cette technique à deux types de semi-conducteurs : du CuCl massif et des puits quantiques de CdTe. Dans CuCl, la courbe de dispersion des polaritons est étudié dans une expérience pompe-sonde en regardant différentes longueurs d'onde d'excitation et de détection. Nous avons évalué comment les propriétés optiques près de la résonance excitonique se comportent temporellement depuis l'absorption induite au gain, selon la longueur d'onde et l'intensité de l'excitation. Nous avons montré que le temps de retournement de spin et la dynamique de relaxation des excitons polaritons peuvent être déterminés dans la régions spectrale dite '' région de retournement du spin '' située juste en-dessous de la région bottleneck où les polaritons sont assez lents et se propagent presque librement. Grâce à cette technique, nous présentons les premières mesures du temps de relaxation de spin dans CuCl. En-dessous de cette région de retournement du spin, la mémoire de spin des polaritons est rapidement détruite à cause des effets de surface.  A l’intérieur de la région du « bottleneck », le temps de renversement du spin est réduit de manière significative par des processus de collision exciton-exciton qui deviennent importants à cause de la grande densité d’états et du caractère excitonique du polariton. De plus, nous avons proposé une interprétation théorique du temps de relaxation de spin excitonique dans CuCl. Nous avons considéré deux possibilités pour la relaxation du spin de l’exciton dans CuCl : la première est la relaxation liée aux processus de diffusion, dans lesquels la direction du vecteur Q est modifiée et la deuxième est la relaxation due à l'interaction d'échange entre les électrons et les trous en conjonction avec le mouvement du centre de masse des excitons. Dans les puits quantique CdTe/CdMnTe, le principe de l'expérience se fonde sur deux transitions optiques qui partagent un niveau d’énergie commun. Nous démontrons expérimentalement que dans les puits quantiques piézoélectrique non dopé, les trous lourds relaxent leur pseudo-spin (h =40 ps) plus lentement que les électrons (e=8ps). Nous avons expliqué nos résultats en termes de remplissage de l'espace des phases des bandes d'électron et de trou dont les excitons se composent.

We have studied the spin relaxation dynamics using nondegenerate pomp-probe measurements. This is possible if transitions from degenerate states to other states are mutually allowed and forbidden for circularly polarized light with different helicities. We have applied this technique to two types of semiconductors: bulk CuCl and CdTe/CdMnTe quantum wells. In CuCl, the polariton dispersion curve is scanned by looking at different excitation and detection wavelengths. We have performed these studies at low temperatures on monocrystalline samples on a subpicosecond time scale. We have evaluated how the optical properties close to the exciton resonance develop in time from induced absorption to gain, depending on the wavelength and the intensity of excitation. We have shown that the spin-flip time and the relaxation dynamics of exciton polaritons can be determined in the “spin-flip region” situated just below the polariton bottleneck where the studied polaritons are quite slowly propagating. Using this technique, we present the first measurements of spin relaxation times in CuCl. Below the spin-flip region, however, the spin memory of the polaritons is rapidly destroyed due to surface effects. Within the bottleneck region, the spin-flip time shortens significantly through exciton-exciton scattering processes which become important because of the high density of states and the exciton like character of the polaritons. In additions, we have presented a theoretical interpretation of spin relaxation in CuCl based on the invariant expansion method of an effective Hamiltonian. We consider two possibilities for exciton-spin relaxation: first due to scattering processes, in which the direction of Q is changed and second due to the exchange interaction between electrons and holes in conjunction with the center-of-mass motion of the excitons. In CdTe/CdMnTe quantum wells, the principle of the experiment relies on two optical transitions that share a common energy level. We demonstrate experimentally that in our undoped piezoelectric quantum well, the heavy-holes relax their spin (h =40 ps) more slowly than the electrons (e =8ps). We have explained our results in terms of phase space filling of the electron and hole bands, from which the excitons are made up.