Spin effects in semiconductor nanostructures : modelling and magnetp-transport experiments
Effets de spin dans les nanostructures semi-conductrices : modélisation et expériences de magnéto-transport
Résumé
The combination of spin-orbit coupling and effects associated with breakdown of inversion symmetry leads to the splitting of energy levels of real and complex band structure of bulk materials and of bidimensionnal systems such as : quantum well and heterojunction. The first part of this work consists in calculating numerically all of three contributions of spin splitting : BIA, SIA and IIA using 14-band k.p extended Kane model and new parameterization based on fits of the tight-binding band structure. Various numerical results are then compared to previous experimental results. We have obtained, for the first time, a satisfactory quantitative description of hole dispersion curves of GaAs/(AlGa)As quantum well (obtained experimentally by L. Eaves using resonant magneto-tunneling spectroscopy) and its spin splitting (reported by H. Stormer et al. some 20 years ago.). This result seems to indicate that IIA term is small in this case. We also calculated optical absorption spectra of quantum wells and obtained a good agreement with experimental result of the "quantum confined Pockels effect".
Then, we examine complex band structure of GaAs. Non-trivial exploration of complex plan is used and proves that evanescent states exist for any direction in the Brillouin zone. The complex bands emerge from extrema of the band structure in real k space and form complete loops connecting the conduction and valence bands. This result is an original contribution to the concept of spin filter.
The second part of this work reports on the experimental study of the role of spin-orbit coupling in semi-ballistic quantum wires that are obtained from a heterostructure of GaAs/(AlGa)As using electron beam lithography. We expect to observe a crossover between weak localization regime and antilocalization regime. The peaks of the magneto-resistance curve show well the weak localization regime. The analysis of weak localization curves allows to extract various characteristic times of samples and to observe the crossover between high magnetic field regime and low magnetic field regime that are associated with the nature of quasi-ballistic of the samples.
Then, we examine complex band structure of GaAs. Non-trivial exploration of complex plan is used and proves that evanescent states exist for any direction in the Brillouin zone. The complex bands emerge from extrema of the band structure in real k space and form complete loops connecting the conduction and valence bands. This result is an original contribution to the concept of spin filter.
The second part of this work reports on the experimental study of the role of spin-orbit coupling in semi-ballistic quantum wires that are obtained from a heterostructure of GaAs/(AlGa)As using electron beam lithography. We expect to observe a crossover between weak localization regime and antilocalization regime. The peaks of the magneto-resistance curve show well the weak localization regime. The analysis of weak localization curves allows to extract various characteristic times of samples and to observe the crossover between high magnetic field regime and low magnetic field regime that are associated with the nature of quasi-ballistic of the samples.
Le couplage spin-orbite combiné avec des effets de brisure de la symétrie d'inversion conduit au dédoublement de niveaux d'énergie de la structure de bande réelle et complexe des matériaux massifs et des hétérostructures bidimensionnelles tels que puits quantiques et hétéro-jonctions. La première partie de ce travail calcule numériquement les trois contributions au splitting de spin : BIA, SIA et IIA en se basant sur le modèle k.p de Kane étendu à 14 bandes et sur les nouveaux paramètres obtenus par la méthode des liaisons fortes. Plusieurs résultats numériques sont confrontés aux résultats expérimentaux anciens. Nous avons obtenu, pour la première fois, une description quantitative satisfaisante des relations de dispersion des sousbandes de valence d'un puits quantique GaAs/(AlGa)As (mesurées par le groupe de L. Eaves par effet tunnel résonnant en présence d'un champ magnétique dans le plan.) et de leur splitting de spin (mesuré il y a déjà longtemps par H. Stormer et al.). Ces résultats semblent indiquer que le terme IIA est effectivement petit dans ce cas. Nous avons également calculé les spectres d'absorption optique de puits quantiques et obtenu, avec la nouvelle paramétrisation, un accord remarquablement bon avec des résultats expérimentaux d'O. Krebs sur l'effet Pockels confiné quantiquement.
Nous examinons ensuite la structure de bande complexe du GaAs et montrons par une représentation complexe et non purement imaginaire du vecteur d'onde que les états évanescents existent pour toutes les directions de la zone de Brillouin. Cette existence se manifeste par des boucles reliant les bandes de conduction et les bandes de valence. Ce résultat est une contribution originale sur le concept de filtre de spin.
La deuxième partie de ce travail porte sur l'étude expérimentale du rôle de couplage spin-orbite dans des fils quantiques semi-balistiques obtenus par gravure à partir d'une structure à gaz bidimensionnel d'électrons. Nous espérons observer une transition entre le régime de localisation faible et celui, opposé, d'antilocalisation faible. Les pics observés expérimentalement lors des mesures de la magnétorésistance ont des propriétés qui sont bien expliquées en termes de la localisation faible. Ces mesures nous ont permis d'extraire des différents temps caractéristiques des échantillons et d'observer les changements de régime fort champ magnétique/bas champ magnétique liés à la nature quasi-balistique des échantillons.
Nous examinons ensuite la structure de bande complexe du GaAs et montrons par une représentation complexe et non purement imaginaire du vecteur d'onde que les états évanescents existent pour toutes les directions de la zone de Brillouin. Cette existence se manifeste par des boucles reliant les bandes de conduction et les bandes de valence. Ce résultat est une contribution originale sur le concept de filtre de spin.
La deuxième partie de ce travail porte sur l'étude expérimentale du rôle de couplage spin-orbite dans des fils quantiques semi-balistiques obtenus par gravure à partir d'une structure à gaz bidimensionnel d'électrons. Nous espérons observer une transition entre le régime de localisation faible et celui, opposé, d'antilocalisation faible. Les pics observés expérimentalement lors des mesures de la magnétorésistance ont des propriétés qui sont bien expliquées en termes de la localisation faible. Ces mesures nous ont permis d'extraire des différents temps caractéristiques des échantillons et d'observer les changements de régime fort champ magnétique/bas champ magnétique liés à la nature quasi-balistique des échantillons.
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