Dynamique de spin des excitons neutres ou chargés dans les boîtes quantiques InAs/GaAs

Spin dynamics of neutral and charged excitons in InAs/GaAs quantum dots

• Auteur / Autrice : Mathieu Sénès
• Direction : Xavier Marie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spin

Excitons

Spectroscopie résolue en temps

Spectres infrarouges

Spectroscopie

Couches minces semiconductrices

Semiconducteurs

Mots clés libres

Boites quantiques

Résumé

Ce mémoire porte sur l'étude de la dynamique de spin des porteurs dans les boîtes quantiques auto-organisées InAs/GaAs non intentionnellement dopées ou dopées négativement ou positivement. Grâce à des expériences de photoluminescence résolue en temps, nous avons observé les battements quantiques du spin de l'exciton neutre, permettant ainsi de mesurer le clivage en énergie entre les états propres de la paire électron-trou. Le même type d'expériences réalisées en appliquant un champ magnétique longitudinal nous a permis de mesurer le facteur de Landé de l'exciton. Nous avons ensuite étudié la dynamique de spin dans des échantillons de boîtes dopées négativement. Quel que soit le niveau de dopage, nous avons observé que la polarisation circulaire de la luminescence était de signe opposé à celle du laser excitateur. Nous avons proposé un modèle basé sur la contribution anisotrope de l'interaction d'échange entre électrons et trous qui permet d'expliquer ce résultat. Nous avons également démontré qu'il était possible de manipuler le spin de l'électron résident sous excitation optique non résonante. Enfin, nous avons réalisé des expériences préliminaires de photoluminescence résolues en polarisation sur des échantillons de boîtes dopées positivement, grâce auxquelles nous avons confirmé le blocage de la relaxation du spin de l'électron sous excitation strictement résonante. Le mécanisme de flip-flop que nous avons introduit et utilisé pour expliquer les dynamiques de spin dans les boîtes quantiques dopées négativement nous a permis de rendre compte des dynamiques de polarisation circulaire observées dans les boîtes dopées négativement sous excitation non résonante.

We have investigated the carriers spin dynamics in neutral, N-doped and P-doped self-organized InAs/GaAs quantum dots. In time resolved photoluminescence experiments, we have observed quantum beats of the neutral exciton spin, allowing us to mesure the energy splitting between exciton eigenstates. In a longitudinal magnetic field, we have determined the Lande g factor of the quatum dots excitons. We have also studied spin dynamics in negatively doped quantum dots. Independent of the number of doping electrons in the dot, we observe a luminescence with a circular polarisation opposite to the excitating laser. We propose a model based on the anisotropic exchange interaction between electrons and holes to explain this result. We also demonstrate that it is possible to manipulate the doping electron spin with non resonant optical excitations. We have performed polarisation resolved experiments on positively charged quantum dot samples, and we have confirmed the electron spin relaxation quenching under strictly resonant excitation. Under non resonant excitation, the observed spin dynamics in P-doped quantum dots can be explained with the flip-flop mechanism, dominant in N-doped quantum dots