4 µm FIB Półprzewodnikowe struktury kwantowe o programowalnych własnościach spinowych od technologii do zastosowań w badaniach podstawowych i aplikacyjnych *, ** Tomasz Wojtowicz Laboratorium Fizyki i Wzrostu Kryształów Niskowymiarowych Instytut Fizyki PAN, Warszawa Nowy typ tranzystora spinowego C. Betthausen et al., Science 337, 324 (2012) Motywacja dla II-VI DMSs & Zalety technologii MBE dla DMS QWs, QDs, NW Rekord μ w szeroko-przerwowych półprzewodnikach II-Te & FQHE in DMS THz generacja prądów spinowych S. Ganichev et al. Phys. Rev. Lett. 102, 156602 (2009); B. Piot, et al., Phys. Rev. B 82, 081307 (R) (2010) C. Betthausen et al., Phys. Rev. B 90, 115302 (2014) Generacja promieniowania THz R. Rungsawang et al., Phys. Rev. Lett. 110, 177203 (2013)) * Partially supported by the National Centre of Science (Poland) grant DEC-2012/06/A/ST3/00247, by the Foundation for Polish Science through Int. Outgoing Fellowship, by DOE grant DE-SC0008630 and by ONR grant N000141410339. ** Wykład plenarny, XLIII Zjazd Fizyków Polskich, Kielce, wrzesień 2015
Motywacja: Jak kontynuować postęp poza granice prawa Moore a? Elektronika oparta na wykorzystaniu spinu Spintronika A. Fert i P. Grünberg 2007 Nobel Prize in Physics For the discovery of giant magnetoresistance effect (metal spintronics) T. Dietl, H. Ohno and D. Awschalom 2005 Agilent Technologies Europhysics Prize of the European Physical Society (semiconductor spintronics) Podejście od dołu do góry (Bottom-up approach) Obie koncepcje są rozwijane w IF PAN i SL3 2
Strategie wytwarzania nanostruktur: od dołu do góry (bottom-up) i od góry do dołu (top-down) W ramach nowego podejścia od dołu do góry ( bottom-up approach ) tworzenie zarówno nanoobiektów jak i funkcjonalnych przyrządów oraz matryc takich przyrządów następuje z obiektów mniejszych w procesie samoorganizacji lub składania: kropki kwantowe Stranskiego-Krastanova nanodruty hodowane metodą katalityczną Odwrotnie niż w obecnie powszechnie stosowanym podejściu od góry do dołu ( top-down approach ) w którym nanoobiekty, nanoprzyrządy i ich matryce są produkowane z warstwowych struktur poprzez litografię (np. elektronową). Oba podejścia: od dołu do góry i od góry do dołu są rozwijane w SL3 3
Spin Physics, Spintronics and Diluted Magnetic Semiconductors (Semimagnetic Semiconductors) Spintronics is all about spin: spin is meant to be the basis of device operation S. Datta, B. Das, App. Phys. Lett. 56, (1990) 665 Important branch of spin physics and semiconductor spintronic research is related to Diluted Magnetic Semiconductors (DMSs) DMSs - mixed crystals of nonmagnetic and magnetic semiconductor: (GaAs+MnAs=GaMnAs or CdTe+MnTe=CdMnTe) DMSs - characterized by very strong enhancement of all spin dependent properties due to the exchange sp-d interaction between localized spins of magnetic ions (e.g. S=5/2 of Mn 2+ ) and spins of band carriers Esp d = J( j S ) for conduction electrons (direct exchange): J = 0.2 ev for valence band holes (hybridization): J ~ - 1 ev Δ E = xj < S > spin x< S > ~ M( B, T) z z Δ = * Espin g μbb g * ~200 4
Motivation for research on DMS telluride nanostructures in the context of spin physics In recent years a role of traditional II-VI DMSs, such as tellurides with Mn including CdMnTe, not as large as it could be. They are not promising from the point of view of recent world wide quest of room temperature homogenous ferromagnetic semiconductor. The importance of II-VIs could increase if: the growth technology of II-VI nanostructures would be improved, especially if high mobility CdTe-based 2DEG nanostructures become available EB, FIB, or AFM oxidation lithography of those nanostructure will be developed (so as to produce 1-D and 0-D structures within top down approach). Advantages/differences of II-Mn-Te nanostructures in comp. to III-Mn-Vs enhanced excitonic effects Mn can be built into lattice substitutional positions up to 100% no problem with interstitial Mn incorporation of isovalent Mn does not deteriorate excellent optical properties (as opposite to the case of GaAs where Mn is an acceptor) and should not lead to any critical reduction of 2DEG mobility Concentration of electrons and holes can be varied independently of Mn spin splitting engineering is possible (both in sign and value, g eff as high as 500 can be achieved, crossing of spin levels with B - QHFm) 5
Epitaksja z wiązek molekularnych MBE * (z greki: epi + taxis = na uporządkowanym) MBE rozwinięta w późnych latach 60-tych w Laboratoriach Bella przez Alfreda Y Cho in 2014 to celebrate forty year history of MBE at the 18th Int. Conf. on MBE event: Meeting with MBE Pioneers and Masters: From the past to the future + Plenary talk from SL3 (one from 3 each representing one continent) * Mostly Broken Equipment, Mega Bucks Equipment Cechy i zalety MBE: UHV (10-10 Torr) + pierw. 7-9N mało resztkowych domieszek a więc wysoka ruchliwość Relatywnie niskie T podłoża: mała interdyfuzja i ilość defektów Małe szybkości wzrostu kontrola na poziomie atomowym (poniżej monowarstwy) Łatwość wprowadzania domieszek w tym modulacyjne Można hodować materiały inaczej niedostępne: (ZB MnTe, ZB MgTe, LT-GaMnAs, InMnSb) Indywidualne przesłony (natychmiastowy start i koniec wzrostu) Kontrola in-situ (RHEED) oczy MBE Preferowana do hodowania nanostruktur niskowymiarowych 6
Źródło strumienia molekuł: komórka efuzyjna i przesłona strumienia oraz RHEED: oczy MBE Reflection High Energy Electron Diffraction Przesłona z pneumatycznym siłownikiem szybkość otwierania i zamykania strumienia Istotna część komórki tygiel z PBN (pyrolitic boron nitride) zapewniający czystość Grzanie prądem płynącym przez drut oporowy kontrolery PID zapewniają stałą temperaturę, a więc strumień Napięcia 5 40 kev Długość fali de Broglie a 0.17 0.06 A Słabe wnikanie kąty padania 0.5 o 3 o
Oczy metody MBE jak widać gładkość i chropowatość (afer A. Cho)
Oczy metody MBE jak dokładnie zmierzyć prędkość wzrostu Podłoże z warstwą epitaksjalną 10 kv działo elektronowe Ekran luminoforu
Advantages of MBE for the incorporation of localized Mn spins ( spin engineering) 1. Extension of Mn concentration beyond solubility limit: weakly diluted magnetic semiconductors, e.g. Cd 1-x Mn x Te with x > 0.77 2. Materials nonexisting in the bulk form: a) ZB MnTe semiexisting semimagnetic semiconductor b) ZB Mg 1-x Mn x Te double semiexisting semimagnetic semiconductor 3. Flexibility in the incorporation of Mn a) regular random mixed crystals b) digital magnetic alloy = short period superlattice with magnetic component (e.g MnTe, Cd 1-x Mn x Te) e.g. engineering of spin lattice relaxation CdMnTe CdTe C.B. c) profiling of Mn concentration in the growth direction (both potential & magnetic profiling or profiling of magnetic component only in e.g. Cd 1-x-y Mn x Mg y Te) ΔE g Cd 1-x Mn x Te L z CdTe ΔE e ΔE hh,lh V.B. d) profiling in the direction perpendicular to the growth axis 10
Two MBE chambers facility in the SL3 LAB of growth and physics of low-dimensional crystals PREVAC MBE EPI 620 MBE system EPI 620 MBE system for II-VIs: Cd Mg Zn Mn Te, ZnI 2 - n, N plasma cell- p, Spare: Cr, In... PREVAC MBE system: Cd, Zn, Se, Au, In, Mg?; e-gun: Cr, Co, Fe, Re (5d 5 ) Cu... We have EBL/FIB lithography, EDX, SEM, GIS, low-t CL, µ-pl, magnetotransport 22-nd year of Lab (first growth on July 6, 1993). Od 2014 pełnoletność w USA alkohol dozwolony. We have grown 6000 samples and we specialize in: II-VI tellurides: Diluted Magnetic Semiconductors (Warsaw s tradition) Normal : QWs, SL, QDs including single Mn, sophisticated: parabolic QWs, in-plane graded QWs, DMS nanowires, high mobility 2DEG in DMS
Nanostruktury dwuwymiarowe: studnie kwantowe wytwarzane epitaksjalną metodą wzrostu (MBE) Prostokątna studnia kwantowa Paraboliczna studnia kwantowa cyfrowa metoda profilowania wzdłuż kierunku wzrostu Gossard et al. 86 Kierunek wzrostu CdMnTe CdTe C.B. Cd 1-y Mg y Te CdTe Materiał o większej przerwie wzbronionej Cd 1-y Mg y Te Szybkość wzrostu 0.1 ML/s Krok 1-3 ML ΔE e E 1e Pasmo przewodnictwa ΔE g Cd 1-x Mn x Te CdTe E ni 1 2m = i 2 π L z n L z ΔE hh,lh V.B. ΔE g Q V Bariera E 1h Studnia kwantowa Pasmo walencyjne Bariera E ni 1 = ( n ) 2 L z 8QiΔE mi g 1 2 12
Badania widm wzbudzenia fotoluminescencji w parabolicznych studniach Cd 1-x Mn x Te dla B=0 L Z p.p. L Z hh 1 -e 1 lh 1 -e 1 hh 2 -e 2 T. Wojtowicz et al., Appl. Phys. Lett. 68, 3326 (1996) QΔE Q e hh ΔE g g E ni e 4 e 3 hh 4 e 2 e 1 hh 1 hh 3 hh 2 } 1 = ( n ) 2 L z ΔE e =hω e 8QiΔE mi ΔE hh =hω hh dozwolone Δn = 0 " zabronione " Δn 0, parzyste p.w. g 1 2 Intensywność luminescencji (j.u.) 40ML hh 3 -e 3 hh 1 -e 1 hh 2 -e 2 lh 1 -e 1 hh 4 -e 4 60ML hh 1 -e 1 hh 2 -e 2 hh 3 -e 3 lh 1 -e 1 80ML hh 2 -e hh 2 1 -e 1 hh 3 -e 3 hh 4 -e 4 hh 3 -e hh 3 2 -e 100ML 2 hh 1 -e 1 120ML x=0.8 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 Energia (ev) E n -E 1 (ev) 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 40ML x=0.85 60ML x=0.92 80ML x=0.77 80ML x=0.51 80ML x=0.135 1 2 3 4 5 Numer poziomu n Stała odległość energetyczna pików w serii dowód paraboliczności mocniejszy dowód - badania rozszczepienia spinowego Bardzo przydatne do wyznaczenia nieciągłości pasam, jednego z najważniejszych parametrów heterostruktur oraz w inżynierii rozszczepienia spinowego 13
Nanostruktury dwuwymiarowe z profilowaniem w poprzek wzrostu nanostruktury schodkowe Cd +Mn+ Te T. Wojtowicz et al., Appl. Phys. Lett. 68, 3326 (1996) 50mm Studnia o schodkowej szerokości Modulacyjne domieszkowanie schodkowe Domieszkowanie schodkowe wewnątrz studni Cd + Te shutter 2ML 4ML 6ML PL in LN 2 6ML CdTe CdMgTe CdMgTe E bin (X - )w funkcji L Z Ewolucja w funkcji D 0 X vs. X - gęstości 2DEG materiał studni CdTe lub Cd 1-x Mn x Te materiał bariery Cd 1-y Mg y Te y 0.3 Warstwa domieszkowan a jodem Bardzo istotne w precyzyjnych badaniach gdyż można uzyskać zestaw próbek, w których tylko jeden parametr jest zmienny!!!
Evolution of features in magneto-reflectivity spectra with n e of 2DEG in step-like MD Cd 0.99 Mn 0.01 Te QW Energy (ev) Cd 0.76 Mg 0.24 Te Cd 0.76 Mg 0.24 Te 1.67 a X2S 1.66 1.65 1.64 1.63 X n 1.62 e = 0 0 2 4 6 b X X 19Å 49Å 100Å a b c d ExCR 2 ExCR 1 0 2 4 6 X n e 9 10 10 cm -2 c Magnetic Field (T) T. Wojtowicz et al., Phys. Rev. B 59, 3326 (1999) Fermi Edge Singularity Iodine Doped Layer 100Å Spacer 80Å Cd 0.99 Mn 0.01 Te QW 3 + 0-2 + 1 + X 0 + d FES ν=4 ν=6 ν=5 5 + ν=3 n e = 2.4 10 11 cm -2 n e = 4.8 10 11 cm -2 0 2 4 6 0 2 4 6 8 Strong band-gap renormalization caused by an increase of electron concentration n e in one sample was determined ΔE g =31 mev dla n e =4.8 10 11 cm -2 2-4 + 1-0 - 3 + 2 + 1 + 0 + 15
Daleko-zasięgowe oddziaływania p-d w hybrydowych strukturach ferromagnetyk-półprzewodnik V.L. Korenev, et al., Nature Physics, 2015, in press Long-range p-d exchange is mediated by elliptically polarized phonons excited in ferromagnet 16
Wytwarzanie nanostruktur o wymiarowości poniżej 2 (1D oraz 0D) od góry do dołu i od dołu do góry 4 µm FIB Strategia od góry do dołu V. Kolkovsky, T. Wojciechowski Pillars CdTe/3x PbTe QW FIB etching CdTe/CdMgTe QPC, M. Czapkiewicz EBL + wet etching M. Aleszkiewicz AFM 17 Technika MBE i strategia od dołu do góry kropki kwantowe Stranskiego-Krastanova nanodruty hodowane metodą katalityczną 17
Mody wzrostu hetero-epitaksjalnego: rola niedopasowania sieciowego i jego wykorzystanie Frank-Van der Merwe Stranski-Krastanov Volmer-Weber Schematyczne przedstawienie trzech topologicznie różnych modów wzrostu hetero-epitaksjalnego Formowanie kropek w modzie Stanskiego-Krastanova Kropki kwantowe z pojedynczym Mn, którego stanem spinowym można optycznie manipulować, mogą być traktowane jako granicę miniaturyzacji dla przechowywania informacji Wykład P. Kossackiego w czwartek 18
Growth of the CdMnTe QDs on lattice mismatched ZnTe using Te coverage method P. Wojnar, et al., Phys. Rev. B 75, (2007) 155301 cap layer Mn introduced into two/one central part of ALE grown 5/6 ML of CdTe CdTe CdMnTe CdTe Mn=1% 4μm F. Tinjod, et al., Appl. Phys. Lett. 82, (2003) 4340 ZnTe 5 μm GaAs SI Te results in an effective decrease of surface energy cost when creating facets, which enables the formation of quantum dots in a Stranski-Krastanov growth mode. 19
Growth of ZnMnTe nanowires: Au assisted Vapor-Liquid-Solid (VLS) growth mechanism Mechanism VLS Wagner 1964 W. Zaleszczyk, et al., Nano Lett. 8 (2008) 4061 Au/Ga nano-catalysts: produced thermally from a thin (1nm) Au film on GaAs 500 nm 500 nm ZnMnTe 50000 Along <111> independent on subst. orientation Homogenous, substitutional incorporation of Mn up to 60%: X-ray, EELS, resonant Raman, internal Mn 2+ PL vs. T 20
Giant spin splitting in optically active ZnMnTe/ZnMgTe core/shell nanowires ZnMnTe ZnMgTe T=2K P. Wojnar, et al., Nano Lett. 12 (2012) 3404 CB VB σ + +1/2-1/2-3/2 +3/2 magnetic field PL-lines from single NW: µ-pl spot size ~2 μm spectral shift (mev) Normalized PL-Intensity 1 Mn 750 Mn 780 ZnTe Mn 810 0 2.25 2.30 2.35 2.40 emission energy (ev) 0-5 -10 X Mn =1.0% -15-20 X Mn =1.8% -25-30 X Mn =3.4% -35-40 0 1 2 3 4 5 6 7 magnetic field Proof of DMS nanowires First step toward magnetic QDs and coupled QDs inside NWs (nonmagnetic CdTe QDs in NWs as a single photon sources already demonstrated in photon correlation experiments) 21
Struktury studni kwantowych CdMnTe z gazem elektronów dwuwymiarowych (2DEG) 22
Programowanie własności spinowych: inżynieria rozszczepienia spinowego 2DEG w Cd 1-x Mn x Te QW g g α M ( H, T ) g μ H g = 1.7 eff = in + 2 Mn B g in exch + 500 Temperature and field dependent Spin splitting (mev) 5 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4 Cd 1-x Mn x Te T = 100 mk x=0.007 x=0.003 x=0.002 CdTe -5 0 10 20 30 40 B (T) GaAs Crossing of LLs with either different or the same index possible at various ν Spin splitting engineered via average x This can be used in studies of FQHE Dependence of splitting on B can be further engineered via Mn distribution in the direction of growth, e.g. in parabolic QWs made of CdMnMgTe: T.Wojtowicz et al. J. Cryst. Growth 214 (2000) 378 Spin splitting can be spatially engineered via LOCAL magnetic fields (nano-magnets or vortices) spin textures Very important: Spin splitting can be externally controlled in a given structure not only by T or B but also by electric field created via gate voltage, which can be LOCAL 23
Spin splitting engineering for the studies of Quantum Hall Ferromagnet * (QHFm) In DMS there is a unique situation in which crossing of the spin levels can be induced by the application of solely vertical magnetic field (without in-plane component) J. Jaroszyński, et al. Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 266802 Ising QHFm * Hysteretic deeps in Hall resistance predicted by H.J.P. Freire, J.C. Egues, Phys. Rev. Lett. 99 (2007) 026801 Quantum Hall (pseudo)ferromagnetism is a ferromagnetism of carriers when spin subbands with opposite spins are brought into degeneracy under quantum Hall effect regime (B 0!) 24
Fabrication of the CdTe-based II-VI quantum structures containing high mobility 2DEG Idea of modulation doping or remote doping : redukcja rozpraszania na zjonizowanych domieszkach wysokie ruchliwości nośników: R. Dingle, H.L. Stromer, A.C. Gossard, W. Wiegmann, Appl Phys Lett 33 (1978) 665 Nagrody Nobla: QHE von Klitzing -1985 + FQHE Laughlin, Stormer, Tsui 1998! Mn atoms can be introduced either homogenously or digitally: One side: after the QW (100)-GaAs ZnTe/CdTe/CdMgTe/SPSL) thick buffers Large surface suitable for development of e-beam, AFM, FIB lithography! 25
First observation of fractional QHE in Magnetic-2DEG system made of DMSs C. Betthausen et al., Phys. Rev. B 90, 115302 (2014). Cd 1-x Mn x Te/CdMgTe:I 300 Å QW Beating in ρ xx at low B: proof of the presence of Mn x 0.0024 Mn does not destroy FQHE for x up to 0.01! Studies of FQHE for zero Zeeman energy at any ν, taking advantage of spin-splitting engineering are feasible 26
Unconventional opening and closing of fractional gaps around v=3/2 in magnetic-2deg system CF-LLs at v * =2 (ν=4/3); B * =0 for ν=3/2 C. Betthausen et al., Phys. Rev. B 90, 115302 (2014). v * =1 v * =2 Composite Fermions with spin & g * accounts for experimental data 27
Przestrzenna inżynieria rozszczepienia spinowego wykorzystana do kontroli transmisji spinów z użyciem sterowalnych przejścia Landaua-Zenera: Adiabatyczny Tranzystor Spinowy 28
Comparison of different types of transitsors I. Zutic and J. Lee, Science 337 (2012) 307 S. Datta, B. Das, App. Phys. Lett. 56 (1990) 665 C. Betthausen, et al. Science 337 (2012) 324 Conventional FET Datta-Das spin T Our adiabatic spin T V g controls electron flow V g controls SO field on electron spin parallel off electron spin antiparallel on gradual (adiabatic) change of magnetic field B off abrupt (diabatic) change of B back reflection Problems: Injection of spins (conductivity mismatch) Propagation of spins (limited spin lifetime) 29
New concept of spin transistor C. Betthausen, et al. Science 337 (2012) 324 Control of spin transport adiabaticity a = 1 µm, d = 100 nm, 75 nm Dy, B Degeneracy points 1. Polarize: large Zeeman splitting Cd 1-x Mn x Te 2. High mobility Cd 1-x Mn x Te 3. Propagate adiabatically: slowly varying stray field from nanomagnets spin helix 4. Regulate: external field tunes adiabaticity of spin transport back-reflection 30
Hybrid structures made of high mobility 2DEG in CdMnTe C. Betthausen, et al., Science 337 (2012) 324 EBL + spattering + lift off Dy thickness 75 nm + 6 nm Al protection period a = 0.5, 1, 2, 4, 8 µm, stripes a/2 wide SQUID: 75 nm Dy film, 4 K a 31
Experimental results for sample C for various T, Θ and a Sample С, x = 1%, µ = 75 000 cm 2 /Vs l mfp = 0.65 µm C. Betthausen, et al., Science 337 (2012) 324 Θ = 0 a = 1 µm T = 25 mk a = 1 µm peaks vanish for T > 300 mk T-scaling of MR-peaks amplitude and B 5/2 function is identical spin symmetry around θ = 45 peak positions shift with period links MR-peaks to stray field g α M ( H, T ) g μ H eff = g in + 2 Mn B T = 25 mk Θ = 45 32
Interpretation: simple model (confirmed by theoretical device modeling) B ext < B stray : Adiabatic spin transport C. Betthausen, et al., Science 337 (2012) 324 B ext = 0.5 B stray e - B ext = B stray : Blocking of spin transmission high R low R high R B ext z x e - e - 33
Comparison of experiments for sample C and theoretical device modeling vs. T, θ and d C. Betthausen, et al., Science 337 (2012) 324 34
Indukowana promieniowaniem THz i mikrofalowym bez-napięciowa generacja czystych prądów spinowych: Inżynieria rozszczepienia spinowego użyta do zademonstrowania bardzo efektywnej, indukowanej polem magnetycznym konwersji tych prądów spinowych w spinowo spolaryzowane prądy elektryczne. Generowanie, transport i manipulacja prądami spinowymi oraz prądami elektrycznymi spinowo spolaryzowanych nośników jest w centrum zainteresowania badań w obszarze spintroniki. 35
Generation of pure spin currents via zero bias spin separation S.D. Ganichev et al., Zero Bias Spin Separation, Nature Physics 2 (2006) 609 In ZB semiconductor QW spin-orbit interaction ads an asymmetric spindependent term to electron scattering probability on phonons and static defects (matrix element is linear in k and Pauli spin matrices σ) Linear in k term stems from bulk and structure inversion asymmetry of QW oppositely directed fluxes ( / ) 36
Dependence of THz induced spin polarized electric current j x in (Cd, Mn)Te QW on B for various T P. Olbrich et al., Phys. Rev. B 86 (2012) 085310 Experiment Simulation All expected features observed in experiments for THz and sub-thz Spin-splitting engineering prove the mechanism of conversion 37
Inżynieria rozszczepienia spinowego użyta do wykazania wytwarzania impulsów promieniowania THz z fal spinowych wzbudzanych z użyciem bardzo efektywnego procesu generacji Ramana w studniach kwantowych Cd 1-x Mn x Te zawierających 2DEG. Generacja promieniowania THz z fal spinowych była obserwowana w materiałach antyferromagnetycznych (e.g. NiO) ale potrzebne były do tego bardzo duże moce impulsów pobudzających. W przypadku półprzewodnika ferromagnetycznego GaMnAs nie udowodniono, że promieniowanie THZ pochodzi z fal spinowych. 38
THz-Time Domain Spectroscopy - experimental set-up R. Rungsawang et al., Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 177203 Optical excitation (100fs, 763nm, circular, 5W/cm 2 ) mode-locked Ti:sapphire laser, 76 MHz repetition rate, 8 khz acusto-optic modulator 2K ; 0-8 Tesla (modified split-coil with THz/optical access) multiple QW structures used (20 and 10 repetitions more challenging than SQW) Free-space electro optic (EO) sampling with <110> ZnTe crystal set to detect electric field component parallel to B Birefringence proportional to the amplitude of electric field (Pockels effect) of THz radiation detected by change of the linearly polarized light
THz radiation pulses from spin-waves excited in 2DEG inside Cd 1-x Mn x Te QW by NIR laser pulses Radiated transient THz field at various B-field R. Rungsawang et al., Phys. Rev. Lett. 110, (2013) 177203. Calculated amplitude (it is proportional to macroscopic electron spin S, with amplitude following spin polarization) Lines in (a) from the backward linear prediction algorithm Energy per pulse: E P 70 nj/cm 2 in our experiments thanks to the high efficiency of the Raman generation mechanism caused by the strong spin-orbit interaction in the valence band and the possibility of using resonant Raman scattering conditions with real and sharp intermediate state (due to high sample quality) E P 400 µj/cm 2 in Ga 1-x Mn x As: J.B Heroux et al. Appl. Phys. Lett. 88, 221110-1 (2006) E P 20 mj/cm 2 in NiO: J. Nishitani et al. Appl. Phys. Lett. 96, 221906-1 (2010) 40
Demonstration of the spin-wave origin of THz radiation R. Rungsawang et al., Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 177203 (i) Resonant character of excitation 2DEG fundamental optical transition (i.e. not a surface charge effect in GaAs or CdTe buffers) Excitation energy (ev) ν 1 ν 2 (ii) Polarization selection rules of excitation and field amplitude of THz radiation THz radiation detected ONLY with applied B AND circularly polarized optical pulse ( linearly polarized pulse couples only to charge excitations (J.M. Bao et al. PRL92 (2004)). Radiated field polarized parallel to the equilibrium spin polarization z (as in the experiment). Field amplitude agrees reasonably well with theory. (iii) Frequency of THz radiation Magnetic field dependence of the two observed THz peaks frequencies can be reproduced by theory - they are not due to inhomogeneity. 41
Wnioski Nasze dotychczasowe wyniki stanowią solidny fundament do dalszego rozwoju technologii tellurkowych nanostruktur półprzewodnikowych z 2DEG oraz DMS i dają nadzieję na to, że w niedalekiej przyszłości uzyskanych zostanie wiele intersujących rezultatów w obszarze: fizyki FQHE fizyki QHFm systemów z teksturą spinową (np. nadprzewodnik/dms, ferromagnetyk/dms ) elektrycznie definiowanych magnetic QDs trój-terminalowych nano-złączowych filtrów spinowych nowego systemu w którym mogą istnieć nieabelowe wzbudzenia i który może stać się podstawą topologicznie chronionych obliczeń kwantowych (L. Rokhinson) etc.. Research was partially supported by the National Centre of Science (Poland) grant Maestro : DEC-2012/06/A/ST3/00247, by the Foundation for Polish Science through International Outgoing Fellowship, DOE grant DE-SC0008630 and by ONR grant N000141410339. 42