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L'Institut Jean Lamour est un laboratoire de recherche en Science des Matériaux : matériaux, métallurgie, plasmas, surface, électronique, nanomatériaux. C'est une unité mixte de recherche (7198) de l'Université de Lorraine et du CNRS.


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Catégorie : A la Une

Electrical initialization of electron and nuclear spins in a single quantum dot at zero magnetic field

IJL’s researchers, in collaboration with colleagues from the University of Toulouse, the Institute of Physics and the Institute of Semiconductors in Beijing as well as UMR CNRS-Thales in Palaiseau, have just demonstrated the emission of circular polarized light from a single quantum dot without applying an external magnetic field. This work has been presented in an article published by Nano Letters on March 8th, 2018.

Over the last decade, interest and ongoing research have been devoted to the study of polarized light emitting devices such as Spin-Light Emitting Diodes (Spin-LEDs).

Those devices provide the ability to propagate the information contained in a magnetic bit over long distances and at high speed by converting  electron spin information into circular polarization information carried by the light.

Two IJL’s research groups, "Nanomagnetism and spintronic" and "Nanomaterials", in collaboration with researchers from the University of Toulouse, the Institute of Physics and the Institute of Semiconductors in Beijing as well as UMR CNRS-Thales de Palaiseau, have just demonstrated the emission of circular polarized light from a single quantum dot without applying an external magnetic field. This work has been presented in an article published by Nano Letters on March 8th, 2018.

Up to 35% degree of circular polarization is obtained which is a record. The injection of spin-polarized electrons is achieved by combining ultrathin CoFeB electrodes on top of a spin-LED device with p-type InGaAs quantum dots in the active region.

The resarchers measured an Overhauser shift of several microelectronvolts at zero magnetic field for the positively charged exciton (trion X+) EL emission, which changes sign as we reverse the injected electron spin orientation.

This is a signature of dynamic polarization of the nuclear spins in the quantum dot induced by the hyperfine interaction with the electrically injected electron spin. This study paves the way for electrical control of nuclear spin polarization in a single quantum dot without any external magnetic field.

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French version :

Emission de la lumière polarisée circulaire à partir d’une seule boîte quantique sans champ magnétique extérieur

Des chercheurs de l'IJL viennent de démontrer, en collaboration avec 4 autres laboratoires, l'émission de la lumière polarisée circulaire à partir d’une seule boîte quantique sans champ magnétique extérieur. Ces travaux font l'objet d'un article paru le 8 mars 2018 dans la revue Nano Letters.
 
Au cours de la dernière décennie, un intérêt et un effort de recherche continu ont été consacrés à l’étude de dispositifs émettant de la lumière polarisée, tels les "Spin-Light Emitting Diodes (Spin-LED)".
De tels dispositifs offrent la possibilité de propager l’information contenue dans un bit magnétique sur de longues distances et à grande vitesse en convertissant l’information du spin de l’électron associé en informations de polarisation circulaire portées par la lumière.

Les équipes "Nanomagnétisme et électronique de spin" et "Nanomatériaux" de l’IJL, en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Toulouse, de l’Institut de Physique et de l’Institut des semi-conducteurs de Pékin ainsi que de l’UMR CNRS-Thales de Palaiseau, viennent de démontrer l'émission de la lumière polarisée circulaire à partir d’une seule boîte quantique sans appliquer de champ magnétique extérieur.Ces travaux ont été publiés le 8 mars 2018 dans la revue Nano Letters

Jusqu’à 35% de degré de polarisation circulaire sont obtenus, ce qui est un record. L'injection d'électrons polarisés en spin est obtenue en combinant des électrodes CoFeB ultra-minces, comme l’injecteur du spin, avec des boîtes quantiques InGaAs de type p dans la région active de LED.
Les chercheurs ont mesuré un décalage Overhauser de plusieurs microélectronvolts à un champ magnétique nul pour l'émission d'excitons (trion X +) chargés positivement, qui changent de signe lorsque l'orientation de spin électronique injecté est inversé.

C'est une signature de la polarisation dynamique des spins nucléaires dans la boîte quantique induite par l'interaction hyperfine avec le spin des électrons injectés. Cette étude ouvre la voie au contrôle électrique de la polarisation de spin nucléaire dans une seule boîte quantique sans champ magnétique externe.

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References :

Electrical Initialization of Electron and Nuclear Spins in a Single Quantum Dot at Zero Magnetic Field

Fabian Cadiz, Abdelhak Djeffal, Delphine Lagarde, Andrea Balocchi, Bingshan Tao, Bo Xu, Shiheng Liang, Mathieu Stoffel, Xavier Devaux, Henri Jaffres, Jean-Marie George, Michel Hehn , Stéphane Mangin, Helene Carrere, Xavier Marie, Thierry Amand, Xiufeng Han , Zhanguo Wang, Bernhard Urbaszek, Yuan Lu , Pierre Renucci

Nano Lett., 8 mars 2018

DOI : https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.7b05351


Researcher’s contact at IJL :
yuan.lu@univ-lorraine.fr

Figures’ caption :
Spin LED device with p-doped InAs/GaAs quantum dots and polarization resolved electroluminescence of an ensemble of quantum dots. (a) High-resolution-transmission electron microscope image of the injector Ta/CoFeB/MgO/GaAs. (b) Schematic structure of the spin-LED device. A single layer of InAs QDs is embedded in the intrinsic region of the p-i-n junction of the LED. (c) AFM image of InAs QDs with a density of 1.6x1014m-2. The average lateral dot diameter is about 30 nm and the height 9 nm. (d) Electroluminescence from the device shows spectrally narrow emission lines stemming from an ensemble of semiconductor quantum dots. The applied magnetic field for the measurement is zero. σ+(σ−) polarized EL signal is plotted in black (red). (e) The circular polarization degree of the EL (red circles) is plotted as a function of applied magnetic field Bext for the ensemble emission of panel d. Hysteresis loop of the normalized magnetization of CoFeB electrode measured by SQUID at T = 30 K (blue squares). The inset shows the evolution of Pc with temperature at Bext=0.