Etudes par microscopie en champ proche des phénomènes de ...

Chapitre IV – Réalisation d’un transistor à vanne de spin sous ultra-vide.2. Description du transistor à vanne de spin.L’objectif de cette section est de décrire le transistor à vanne de spin d’un point de vue instrumental,indépendamment des performances des filtres à spin utilisés.2.A. Réalisation d’un « émetteur » à électrons polarisésLa réalisation d’une source à électrons polarisés à partir d’un SC repose sur deux techniquesexpérimentales découvertes au milieu des années 60 : le pompage optique [Lampel68], et l’activationen état d’affinité électronique négative [Scheer65]. Nous allons brièvement rappeler les fondements deces deux techniques, puis nous exposerons dans le cadre de notre expérience la préparation d’unesource à électrons polarisés.2.A.1. Pompage optiqueLa technique de pompage optique dans les SC consiste à créer des électrons polarisés de spin dans labande de conduction à partir de l’absorption d’une lumière polarisée circulairement. Elle tire sonorigine du pompage optique d’un gaz d’atomes, techniques proposées par Kastler et Brossel au débutdes années 50, et traduit le transfert du moment angulaire de la lumière au moment cinétique (de spin)de la matière.Cette technique repose d’une part sur l’interaction spin-orbite et d’autre part sur les probabilitésd’absorption différentes pour les différents états de valence identifiés par leur moment magnétique m j .Nous avons représenté sur la figure (Fig. IV.3) la structure de bande d’un SC de structure blende dezinc, et les lois d’absorption associées pour une lumière polarisée circulairement ( σ = + 1).Le cristal de GaAs est un semiconducteur à gap direct (Eg = 1.52 eV à τ = 300K), centré sur le pointΓ. Des considérations de théorie des groupes montrent qu’au seuil d’absorption (k=0), la bande devalence (BV) est de symétrie vectorielle (type p), alors que la bande de conduction (BC) est desymétrie sphérique (type s). L’interaction spin-orbite lève la dégénérescence des six bandes de valencepour former quatre bandes Γ 8 (p 3/2 ) et deux bandes Γ 7 (p 1/2 ). Ces bandes sont séparées par une énergieΔ = 340 meV. Pour une excitation proche du gap ( Eg < hν < Eg + Δ), la lumière couple uniquementles états p3 / 2→ s1/2.Fig. IV.3 : d’après [Meier84]. Principe du pompage optique dans le GaAs. Diagramme de bandeet symétrie des fonctions d’onde au point Γ. Règles de sélection pour une lumière polariséecirculairementσ = + 1.Les règles de sélections imposent que lors de la transition le moment cinétique total est conservé.Ainsi, pour une lumière polarisée circulairement et de moment cinétiqueσ= + 1, on doit avoirΔm = +1 . De fait, seules deux transitions sont possibles : m j = -3/2 (BV) → m j = -1/2 (BC), et m j = -j69