Mid-Infrared Optical Spin Injection and Coherent Control

La seconde révolution quantique, stimulée par les progrès récents dans la capacité à manipuler la matière à l’échelle nanométrique, a le potentiel de transformer radicalement notre manière de communiquer, calculer, et sonder notre environnement. Dans ce contexte, les semi-conducteurs ont reçu beaucoup d’attention pour leur polyvalence en tant que plateformes pour technologies quantiques, et leur capacité à être étendus à plus grande échelle. Ceux-ci présentent aussi des propriétés d’interaction lumière-matière particulières, qui peuvent être exploitées pour transférer de l’information quantique des rayons de lumière au spin des porteurs de charge. Par ailleurs, ces procédés peuvent être manipulés en exploitant l’interférence quantique entre deux chemins d’absorption, par le biais d’un phénomène de contrôle cohérent. Dans le germanium (Ge), de précédentes études ont démontré l’injection résonante de courants balistiques par contrôle cohérent à des longueurs d’onde proches de 1550 nm. Incorporer des atomes d’étain (Sn) dans le Ge permet la modulation de ces procédés dans toute la gamme d’infrarouge-moyen, en réduisant le bandgap direct. En conséquence, en tant que matériau émergent compatible avec silicium, les alliages de germanium-étain (Ge1−xSnx) semblent être des candidats intéressants pour la détection quantique dans la région d’empreinte moléculaire, et pour les interfaces photon-spin. Dans cette perspective, un cadre théorique est développé pour calculer l’injection optique de porteur de charge, spin, courant, et courant de spin dans le Ge1−xSnx bulk. Un modèle k · p à 30 bandes couvrant toute la zone de Brillouin (BZ) est utilisé dans les calculs pour permettre l’évaluation de transitions à haute énergie, et de processus optiques situés loin du centre de la BZ, comme la transition E1. En appliquant l’approximation des particules indépendantes, les tenseurs de réponse optique sont résolus dans l’espace réciproque avec une méthode des tétraèdres linéaire. Il est à noter que seules les transitions directes sont considérées. Les processus assistés par des phonons, qui sont beaucoup plus faibles, sont ignorés. Nous utilisons le modèle développé, basé sur la méthode k · p, pour étudier l’injection optique de courant de charge et de spin dans les semi-conducteurs Ge1−xSnx, en fonction de la proportion de Sn. Les processus d’absorption interbande à un et deux photons sont évalués, et l’évolution du contrôle cohérent est discutée pour trois différentes configurations de polarisation. Il a été démontré que, en plus de la diminution attendue du bandgap direct et le déplacement associé de l’absorption à des longueurs d’onde plus longues, l’incorporation de Sn dans le Ge augmente aussi le degré de polarisation de spin (DSP) à un photon, à la résonance E1.