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Mid-Infrared Optical Spin Injection and Coherent Control

Gabriel Fettu

Master's thesis (2022)

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Abstract

The second quantum revolution, fueled by the recent progress in the ability to structure matter at the nanoscale, holds potential to radically transform the way we communicate, compute, and interact with or sense our environment. In this context, semiconductors have received a great deal of interest for their versatility and scalability as quantum technological platforms. They also exhibit special light-matter interaction properties, that can be harnessed to transfer quantum information from optical fields to the spin of carriers. These processes can be further manipulated by exploiting the quantum interference between two-absorption pathways, in a phenomenon of coherent control. In Ge, previous studies demonstrated reso-nant injection of ballistic currents by coherent control at telecom wavelength. Incorporating Sn in Ge enables the modulation of this process across the entire mid-infrared range by re-ducing the direct bandgap. Therefore, as emerging silicon-compatible materials, Ge1−xSnx alloys appear to be interesting candidates for quantum sensing in the molecular fingerprint region and photon-spin interfaces. With this perspective, a theoretical framework is implemented to calculate carrier, spin, current, and spin current optical injection in bulk Ge1−xSnx. A full-zone 30-band k · p is employed in the calculations to allow the evaluation of high-energy transitions, and optical processes located far from the Brillouin zone center such as the E1 transition. Under the inde-pendent particle approximation, the optical response tensors are resolved in reciprocal space with a linear tetrahedron method. Note that the much weaker phonon-assisted processes are neglected to consider only the direct transitions. We use the developed k · p framework to investigate the optical injection of charge and spin currents in Ge1−xSnx semiconductors as a function of Sn content. The one- and two-photon interband absorption processes are elucidated, and the evolution of the coherent control is discussed for three different polarization configurations. It was found that, besides the anticipated narrowing of the direct gap and the associated shift of the absorption to longer wavelengths, the incorporation of Sn in Ge also increases the one-photon degree of spin polarization (DSP) at the E1 resonance. Moreover, as the Sn content increases in Ge1−xSnx, the magnitude of the response tensors near the band edge exhibit an exponential enhancement. This behavior can be attributed to the Sn incorporation-induced decrease in the carrier effective masses. This trend appears to hold also at the E1 resonance for pure spin current injection, at least at low Sn compositions.

Résumé

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.

Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Oussama Moutanabbir and John E. Sipe
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10781/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 17 Jul 2023 11:53
Last Modified: 07 Apr 2024 00:35
Cite in APA 7: Fettu, G. (2022). Mid-Infrared Optical Spin Injection and Coherent Control [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10781/

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