Laboratoire Charles Coulomb UMR 5221 CNRS/UM2 (L2C)

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Détection Optique d’états ordonnés de spin nucléaires dans les semiconducteurs

par Christelle EVE - publié le

Proposition de stage M2 :

La décohérence du spin électronique due aux spins nucléaires est un problème critique dans divers schémas de calcul quantique à base de semi-conducteurs [1]. Ce phénomène est aussi appelé problème du spin central [2] et attire de plus en plus l’attention des théoriciens et des physiciens expérimentaux. Il a été démontré que l’orientation optique du spin électronique peut affecter l’environnement du spin nucléaire. D’autre part, la dynamique de spin des électrons est affectée par les fluctuations du système de spins nucléaires (SSN). Nous avons développé au laboratoire une expérience de spectroscopie de bruit de spin qui permet de sonder les fluctuations de spin de manière non perturbative. Cette technique permet de sonde les corrélations temporelles et spatiales des fluctuations de spin, et peut donc fournir des informations essentielles sur les phases quantiques exotiques susceptibles d’émerger à basse température dans le SSN.
Le SSN est l’un des systèmes de la matière condensée où des températures record (< 0,1 μK) ont été atteintes et où divers états de spins nucléaires ont été observés dans des métaux et des isolants [3-5]. Selon le signe de la température de spin nucléaire (l’énergie du SSN étant bornée, la thermodynamique n’interdit pas les températures négatives dans ce cas), il est possible d’obtenir des phases ferro- et anti-ferromagnétiques dans le même système SSN, dont le diagramme de phase magnétique peut être très riche. Notre objectif est d’explorer ces phénomènes collectifs dans les semi-conducteurs. Ce système est peu étudié, en particulier en dessous de 1 mK, principalement en raison de l’absence de méthodes de détection sensibles. Les techniques de détection optique non perturbatives des SSN dans les semi-conducteurs, que nous avons récemment développées, devraient constituer un atout majeur pour explorer les états collectifs des SSN [6-12]. Par rapport aux métaux et aux isolants, les semi-conducteurs offrent certains atouts : (i) la densité électronique peut être contrôlée, de sorte que l’importance relative du couplage hyperfin et de la relaxation peut être modifiée à volonté ; (ii) la dimensionnalité du système peut être également modifiée ; (iii) Les interactions d’échange (couplage indirect via des états électroniques) sont négligeables, de sorte que les interactions au sein du SSN sont essentiellement dipolaires. La forme et la force de ces interactions étant connues de manière exacte, ceci permet une comparaison fiable entre valeurs calculées et valeurs observées. Ainsi, le SSN dans les semi-conducteurs constitue un système modèle pour les problèmes fondamentaux de la thermodynamique ; (iv) Il est possible de polariser efficacement le SSN par pompage optique avec une lumière polarisée circulairement et de contrôler le signe de la température de spin. Les phases SSN prédites dans les semi-conducteurs comprennent non seulement un ordre ferro- et anti-ferromagnétique, mais également des états spécifiques aux semi-conducteurs, tels que le polaron de spin nucléaire. Le concept de polaron magnétique, une région ordonnée ferromagnétiquement due à l’interaction d’un grand nombre de spins locaux avec le spin d’un porteur de charge localisé, a été proposé par P. G. De Gennes [13]. Plus tard, le concept de polaron nucléaire dans un SSN interagissant (via le couplage hyperfin) avec un spin électronique lié au donneur a été développé [14-15]. Un polaron nucléaire devrait se former en dessous d’une température critique et se comporter comme un spin macroscopique unique caractérisé par une susceptibilité beaucoup plus grande que la susceptibilité des spins nucléaires individuels. Cependant, aucun état collectif de spin nucléaire, que ce soit les polarons nucléaires, ou d’autres phases magnétiques ordonnées, n’a été mis en évidence expérimentalement jusqu’à présent [16]. Le but ultime de ce projet est d’obtenir les premières preuves expérimentales de l’existence de polarons nucléaires et d’autres états magnétiques dans des semi-conducteurs.
La réalisation de ce projet de recherche offrira une formation aux approches théoriques et expérimentales de la spectroscopie optique (et plus particulièrement de la spectroscopie du bruit de spin sous champs magnétiques et dans l’environnement cryogénique), du magnétisme, des phénomènes quantiques à N corps et de la physique des nanostructures semi-conductrices L’expérience acquise au cours de ce stage constituera une base solide pour l’orientation future du stagiaire dans l’industrie ou dans le milieu académique.

Nous recherchons un (une) stagiaire motivé(e), intéressé(e) par physique des semi-conducteurs, mécanique quantique, optique et magnétisme.

[1]D. D. Awschalom et al., Science 339, 1174 (2013). [2]N. V. Prokof’ev and P. C. E. Stamp, Rep. Prog. Phys. 63, 669 (2000)
[3]A. S. Oja and O. V. Lounasmaa, Rev. of Mod. Phys., 69, 1 (1998).
[4]F. Pobell, Matter and Methods at Low Temperatures (Third edition), Springer-Verlag (2006)
[5]J. Tuoriniemi, Nature Physics, 12, 11, (2016)
[6]M. Vladimirova et al, Phys Rev B 97, 041301 (2018). (https://arxiv.org/abs/1706.02528)
[7]R. Giri et al, Phys Rev Lett 111 087603 (2013).
[8]M. Kotur at al, Phys. Rev. B 94, 081201 (2016). (https://arxiv.org/abs/1606.00143)
[9]M. Vladimirova et al, Phys Rev B 95, 125312, (2017). (https://arxiv.org/abs/1612.01699)
[10]M. Kotur et al, Phys Rev B, 97, 165206, (2018). (https://arxiv.org/abs/1802.05013)
[11]I. I. Ryzhov et al Appl Phys Lett. 106 242405 (2015). (https://arxiv.org/abs/1504.00799)
[12]S. Cronenberger and D. Scalbert, Rev Sci Instrum, 87, 093111 (2016).
[13]P. G. de Gennes, Phys. Rev. Lett.118, 141 (1960)
[14]I. A. Merkulov, Phys. of the Solid State, 40, 930 (1998)
[15]D .Scalbert, Phys Rev B 95, 245209 (2017). (https://arxiv.org/abs/1703.05987)
[16]V.K. Kalevich et al, in Spin Physics in Semiconductors (Second Edition), Ed. M. I. Dyakonov, Springer Series in Solid-State Sciences (Springer International Publishing 2017).

Contacts :
Steeve Cronenberger
Denis Scalbert


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