Optique des semi-conducteurs
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O+, d'énergie par exemple résonante avec la transition trous-lourds 3 conduction et avec elle
seule, transfère effectivement tout son moment angulaire à la population des électrons, en
orientant le spin électronique. Bien entendu, le champ électromagnétique, à ces énergies,
n'agit pas directement sur le spin. Mais l'orientation s'effectue par l'intermédiaire du couplage
spin orbite. On peut par exemple vérifier que pour une excitation de grande énergie, qui rend
équiprobables les transitions des trois bandes de valence, il n'y a plus de polarisation de spin
de la bande de conduction. L'ensemble des sujets relatifs à l'orientation optique a fait l'objet
d'articles de synthèse assez complets, mais écrits avant l'apparition des systèmes
bidimensionnels [ 57-59].
On ne s'étonne pas que l'information portée par la polarisation de la lumière excitatrice
soit, dune façon ou dune autre, transférée au système matériel. Ainsi des expériences non
résonantes, ou bien aux temps très courts, doivent en garder trace. Mais on connaît deux
circonstances où cette mémoire de polarisation est suffisamment stabilisée pour être détectée à
la recombinaison, y compris en régime stationnaire (excitation quasi continue).
4.8.1 L'orientation de spin par absorption de lumière circulairement polarisée
Il s'agit le plus souvent de l'orientation de spin des électrons de conduction, du moins dans les
matériaux massifs où, pour les états de valence, le moment de rotation est fortement couplé au
moment cinétique. La moindre diffusion de k est alors un facteur de dépolarisation très
efficace pour les trous. Il suffit de lire les schémas 4.9 de haut en bas dans le sens de la
recombinaison pour comprendre qu'à l'inverse, la mesure du taux de polarisation de la
luminescence informe sur la polarisation résiduelle de la bande de conduction.
On peut exprimer de façon phénoménologique la polarisation déquilibre (en excitation
quasi continue) par :
(4.12)
où Po est la polarisation de création, Ti la durée de relaxation de spin et z la durée de vie des
porteurs. En appliquant un champ magnétique transverse H, on provoque la précession des
spins, et donc une dépolarisation sous champ de la luminescence (effet Hanle) :
P(H) = P(O)( 1 + &Ti**)
(4.13)
où O est la fréquence angulaire de précession des spins, et T i * la durée de vie de polarisation :
Ti*-' = T c l + z . Selon une formule fameuse [60], on peut avec cette expérience mesurer en
excitation continue la durée de vie des électrons en utilisant la précession de Larmor comme
une horloge.
Donnons quelques valeurs typiques de polarisation de spin qu'il est possible d'obtenir :
- L'excitation dun matériau cubique massif au gap, avec donc trous lourds et trous légers
pondérés uniquement par les probabilités d'absorption, donne une polarisation de spin, avant
relaxation Po = 0,5. En supposant, ce qui est réaliste dans les matériaux massifs, que la bande
de valence est complètement dépolarisée, le taux de polarisation de la luminescence est moitié
de celui de la population électronique ; on se trouve donc dans le cas d'une polarisation
maximum de la luminescence P i = 0,25. Ce type d'expérience a été beaucoup utilisée pour
étudier, précisément, la relaxation du spin et aussi de l'énergie.
P = POTI /(TI + 7)
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O+, d'énergie par exemple résonante avec la transition trous-lourds 3 conduction et avec elle
seule, transfère effectivement tout son moment angulaire à la population des électrons, en
orientant le spin électronique. Bien entendu, le champ électromagnétique, à ces énergies,
n'agit pas directement sur le spin. Mais l'orientation s'effectue par l'intermédiaire du couplage
spin orbite. On peut par exemple vérifier que pour une excitation de grande énergie, qui rend
équiprobables les transitions des trois bandes de valence, il n'y a plus de polarisation de spin
de la bande de conduction. L'ensemble des sujets relatifs à l'orientation optique a fait l'objet
d'articles de synthèse assez complets, mais écrits avant l'apparition des systèmes
bidimensionnels [ 57-59].
On ne s'étonne pas que l'information portée par la polarisation de la lumière excitatrice
soit, dune façon ou dune autre, transférée au système matériel. Ainsi des expériences non
résonantes, ou bien aux temps très courts, doivent en garder trace. Mais on connaît deux
circonstances où cette mémoire de polarisation est suffisamment stabilisée pour être détectée à
la recombinaison, y compris en régime stationnaire (excitation quasi continue).
4.8.1 L'orientation de spin par absorption de lumière circulairement polarisée
Il s'agit le plus souvent de l'orientation de spin des électrons de conduction, du moins dans les
matériaux massifs où, pour les états de valence, le moment de rotation est fortement couplé au
moment cinétique. La moindre diffusion de k est alors un facteur de dépolarisation très
efficace pour les trous. Il suffit de lire les schémas 4.9 de haut en bas dans le sens de la
recombinaison pour comprendre qu'à l'inverse, la mesure du taux de polarisation de la
luminescence informe sur la polarisation résiduelle de la bande de conduction.
On peut exprimer de façon phénoménologique la polarisation déquilibre (en excitation
quasi continue) par :
(4.12)
où Po est la polarisation de création, Ti la durée de relaxation de spin et z la durée de vie des
porteurs. En appliquant un champ magnétique transverse H, on provoque la précession des
spins, et donc une dépolarisation sous champ de la luminescence (effet Hanle) :
P(H) = P(O)( 1 + &Ti**)
(4.13)
où O est la fréquence angulaire de précession des spins, et T i * la durée de vie de polarisation :
Ti*-' = T c l + z . Selon une formule fameuse [60], on peut avec cette expérience mesurer en
excitation continue la durée de vie des électrons en utilisant la précession de Larmor comme
une horloge.
Donnons quelques valeurs typiques de polarisation de spin qu'il est possible d'obtenir :
- L'excitation dun matériau cubique massif au gap, avec donc trous lourds et trous légers
pondérés uniquement par les probabilités d'absorption, donne une polarisation de spin, avant
relaxation Po = 0,5. En supposant, ce qui est réaliste dans les matériaux massifs, que la bande
de valence est complètement dépolarisée, le taux de polarisation de la luminescence est moitié
de celui de la population électronique ; on se trouve donc dans le cas d'une polarisation
maximum de la luminescence P i = 0,25. Ce type d'expérience a été beaucoup utilisée pour
étudier, précisément, la relaxation du spin et aussi de l'énergie.
P = POTI /(TI + 7)