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

Louis Pasteur

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Relaxation de spin dans du CuCl massif et des puits quantiques de CdTe Hamid Rahimpour Soleimani These de doctorat de l'Universite Louis Pasteur Mars 2005

• optoelectronique de l'ipcms de strasbourg sous la di- rection


• docteur de l'universite louis


• part impor- tante


• puits quantiques de cdte


• rapporteur externe

Sujets

• Optique non-linéaire
• Masson
• Joseph
• Pasteur
• Brimont

Informations

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• Publié le: 01 mars 2005
• Nombre de lectures: 101
• Langue: Français
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Extrait

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

Hamid Rahimpour Soleimani

The`sededoctoratdel’Universit´eLouisPasteur

Mars 2005

´ THESE DE DOCTORAT

Pr´esent´eea` I’U.F.R. des Sciences Physiques del’Universit´eStrasbourgI

pour obtenir le titre de

´ DOCTEUR DE L’UNIVERSITE LOUIS PASTEUR DE STRASBOURG

Sp´ecialit´ePhysiqueduSolide

Par HamidRahimpourSoleimani

Sujetdelath`ese: RELAXATION DE SPIN DANS DU CuCl MASSIF ET DES PUITS QUANTIQUES DE CdTe

Soutenue le 4 mars 2005 devant la commission d’examen

A. BIEBER I. PELANT D. SCALBERT ¨ B. HONERLAGE P. GILLIOT

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(Rapporteur interne) (Rapporteur externe) (Rapporteur externe) (Directeurdethe`se) (Examinateur)

Remerciements Cetravaildethe`seae´t´eeffectu´eauseinduGroupe d’Optique Non Lin´eaireetd’Optoe´lectroniquedel’IPCMSdeStrasbourgsous la di- rectiondeBerndHo¨nerlage. Jetiensd’abord`aremercierlesmembresdemonjury,D.Scalbert, I.PelantetA.Bieberd’avoiraccepte´lacharged’ˆetrerapporteurde monjurydeth`ese. J’exprimetoutemagratitudea`BerndH¨onerlageetPierreGilliot pourm’avoirpermisd’effectuermathe`seauseindeleur´equipe. Votrepe´dagogie,vosconnaissancesscientifiques,m’ontfaitpasser, sousvotredirection,quatreann´eesdeth`eseenrichissantes. Jetiensa`exprimermaprofondereconnaissancea`BerndH¨onerlage, quiparsesqualite´shumainesasueˆtrepatientet`al’e´couteetqui par son soutien et son savoir scientifique m’a permis de surmonter de nombreuxproble`mes. Jesuistr`esreconnaissanta`PierreGilliotpourm’avoiraide´`acom- prendrecertainsprocessus,poursacontribution`acetravail,etsurtout poursesencouragementslorsdemapremie´reann´eedeth`ese. Mesremerciementsvont´egalementa`Jean-PierreLikformanavecqui j’aire´alise´avecplaisirdesexpe´riencesquiconstitueunepartimpor- tante de mon travail. J’aitoutparticul`erementappr´eci´elapr´ecieuseaidequem’aapport´ee OlivierCregutdanslasolutiondesprobl`emesd’optiqueenge´ne´ral.

SteeveCronenbergera´et´edurantmesanne´esdeth`esemonco´equipier durantdenombreusesexpe´riences.Sonaide,sesnombreusesdiscus- sionsenrichissantesetletempsqu’ilabienvoulude´die´a`lacorrection demapr´esentationm’ont´ete´pre´cieux.Qu’ilensoitremercie´. Jeremercie´egalementMathieuGallartpournosdiversesconversa- tionsetavoirrelumonm´emoire. ChristelleBrimontasuanimerlebureauparsapersonnalite´etje laremercied’avoire´te´disponiblepourmesnombreusesquestionsde franc¸ais,pourlacorrectiondemapr´esentationetpoursapatience lorsdese´coutesdecettedernie`re!!!

JeremercieaussiJanineJoseph,JeannineDrivonetB´eatriceMasson pour les nombreux services qu’elles m’ont rendus. Ilesttre´sdifficilededresserunelistedetouteslespersonnesqui,de pr´esoudeloin,m’ontaccompagn´edurantcettethe´se,sansrisquer d’en oublier. Qu’ils sachent que je les en remercie.

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Re´sum´e

Nouspr´esentonsdanscetravail,une´etudedeladynamiquedepopu-

lation des polaritons-excitoniques et de leur spin dans le CuCl massif

ainsiqu’une´etudedelarelaxationdesspinse´lectroniquesdansdes

puitsquantiquespi´ezo-´electriquesdeCdTe/CdMnTe.

Pendantladernie`red´ecennie,lesprocessusderelaxationduspindes

´electrons,destrousetdesexcitonsont´et´eintensivemente´tudi´esdans

lessemi-conducteursIII-VetII-VIetdansd’autresmat´eriauxafin

d’identifierlesm´ecanismesresponsablesdel’e´volutiontemporelledu

` momentangulairetotal(oupseudo-spin)d’une´tatexcite´.Anotre

connaissance,peud’´etudesonte´te´r´ealise´esjusqu’icisurdescom-

pos´esI-VIImassifs.Ilestimportantdecomprendrecettedynamique

puisque le pseudo-spin peut transporter et stocker l’information sur

dese´chellesdetempsassezlongues,pluslonguesqueladure´ede

cohe´renced’uneexcitatione´le´mentaireetcomparableautempsde

vie.

Afinded´eterminerletempsderelaxationdespinsurunee´chelle

detempssub-picosecondedanslesdeuxmat´eriauxquenousavons

e´tudi´es,nousavonsapplique´unetechniquepompe-sondenon-de´ge´ne´r´ee.

Cettetechniqueestbase´esurdesmesuresdechangements,induitspar

une impulsion pompe, de la transmission d’une impulsion sonde re-

tarde´e,avecuncontroˆledelapolarisationrelativedesdeuxfaisceaux.

A:Expe´riencespompe-sondenon-de´ge´n´ere´es:CuCl

CuClestunsemi-conducteur`agapdirectquiaunestructurede

bandeparticulie`rementsimple.Ilmontredesr´esonancesexcitoniques

a`une´energiedephotondel’ordrede3,2eV.Cesexcitonssontdipo-

lairementactifsetpeuventˆetreexcit´espardesfaisceauxpolaris´es

line´airementoucirculairement.Deplus,dansCuCl,desbiexcitons

(ayantune´energiedeliaisond’unetrentainedemeVparrapportau

continuuma`deuxexcitons)peuventeˆtreexcite´sa`partirdel’e´tat

fondamentaldusemi-conducteur.Cecipeuteˆtrer´ealis´eparuneab-

sorptionsimultan´eededeuxphotonsoubienparabsorptionsuccessive

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encre´antd’aborddesexciton-polaritonsparuneimpulsionpompe:

unedeuxi´emeimpulsionfournieparunfaisceausondepeutalorsin-

duirelatransitionverslesbiexcitons.Cettetransitiondonnelieu`a

uneabsorptioninduitequenousanalysons.Lesre´glesdes´election

indiquent que la transition est uniquement permise si les deux fais-

ceauxpompeetsondesontpolarise´scontra-circulairement.Enutil-

isantcettetechnique,nouspr´esentonslespremie`resmesuresdestemps

derelaxationdespindansCuCl.Deplus,l’´evolutiontemporellede

l’absorptioninduiter´esoluespectralementnousfournitdesinforma-

tionssurl’e´volutiontemporelledespopulationsdese´tatsexcitoniques

et biexcitoniques. Ceci se manifeste aussi dans la variation de la trans-

missionquipeutpasserd’une

absorptioninduite`adugain,selon

l’intensit´edel’excitationquenousutilisons.Dansnosexp´eriences,

unfaisceaupompeexcited’abordunepopulationd’excitonspolarise´e

en spin. Puis, nous mesurons l’absorption induite d’un faisceau sonde

doutladirectiondepropagtionestcolin´eaireaveccelledufaisceau

pompemaisquiestnonde´g´ene´r´eenfr´equence.Cefaisceauest,lui

aussi,polaris´ecirculairementettestelatransitionexciton-biexciton.

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Silespolaritonsontgard´eleurpolarisationdespinapr`esleurexci-

tationparl’impulsionpompe,uneabsorptioninduiten’apparaıˆtque

+− quandpompeetsondesontpolarise´scontracirculairement(σ σ).

Silespolaritonscre´e´sparlapompeontchang´eleurpolarisationde

+ + spin, une absorption induite apparaˆıt dans la configuration (σ σ).

Ainsi,l’absorptioninduitefournitdesinformationssurl’´etatdespin

delapopulationdesexcitonpolaritons.Encomparantdesre´sultats

obtenusdanslesdeuxconfigurations,nousd´eterminonsl’´evolution

temporelleduspindespolaritons(caracte´ris´eparlaconstantedeT s )

ainsi que leur temps de vie (constante de tempsT r ). Nous obtenons

T s = 120±10ps etT r =80±10ps. Ces valeurs demeurent valides si

2 l’intensit´ed’excitationestinfe´rieure`a0.5mW/cm.

` Adesintensit´esplus´elev´ees,ladynamiquedevientplusrapide.Nous

montrons en particulier que si les dynamiques de relaxation du spin et

delapopulationdesexcitons-polaritonspeuventˆetred´etermine´epar

desmesuresd’absorptioninduitenon-de´g´en´ere´es,ceciestsurtoutpos-

sibledanslare´gionduspin-flipolupitar-ontu´esietnejesuuodsedss

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bottleneckseop`oluotsnaliregnatestnelzeaporpest´editu´esstaonss

librement.

Danscesconditions,leurdensit´ed’e´tatsetleurtaux

de collisions mutuel sont faibles et les effets de surface, auxquels

leurdynamiqueesttr´essensible,nelesperturbentpas.Leurtemps

derelaxationdespinestlongpourlestempe´raturesendessousde

40Ket`abasseintensite´.Lesprocessusdecollisionexciton-exciton

n’influencentpasdemani`eresignificativeceslongstempsderelax-

ationduspin.Parcontre,deplusgrandes´energiesdephoton,dans

lar´egiondubottleneckiralopalnenoitas,uqsa-ispindusyst`emede

particulesestprincipalementde´truiteparlefaitquedesbiexcitons

peuventˆetrecre´e´s:ilssubissentalorsunerelaxationd’e´nergieen

serecombinantradiativement,ge´n´erantunenouvellepopulationde

polaritonquin’estpluspolaris´eeenspin.

Commenouslediscutonsdansnotretravail,lefaitqueCuClposs`ede

unestructuredebandesimpleetdesre´sonances´electroniquesbien

s´epare´sspectralementesttechniquementutilemaispasne´cessaire

pourl’applicationdecettem´ethodedemesure.

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Eng´ene´ral,ilest