Nanoélectronique de spin. Laboratoire de Photonique et de Nanostructures LPN Route de Nozay, Marcoussis.

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1 Axe principal: EDS Axes secondaires : Nanoélectronique de spin Laboratoire de Photonique et de Nanostructures LPN Route de Nozay, Marcoussis Membres permanents de l équipe : Contact C nano de l équipe Lemaître Aristide Giancarlo Faini giancarlo.faini@lpn.cnrs.fr, giancarlo.faini@cnrs-dir.fr Ulf Gennser ulf.gennser@lpn.cnrs.fr Jean-Christophe Girard Jean-christophe.girard@lpn.cnrs.fr Romain Giraud romain.giraud@lpn.cnrs.fr Olivier Krebs olivier.krebs@lpn.cnrs.fr Loïc Lanco loic.lanco@lpn.cnrs.fr Aristide Lemaître aristide.lemaitre@lpn.cnrs.fr Dominique Mailly dominique.mailly@lpn.cnrs.fr Abdelkarim Ouerghi abdelkarim.ouerghi@lpn.cnrs.fr Fréderic Pierre frederic.pierre@lpn.cnrs.fr Guillemin Rodary guillemin.rodary@lpn.cnrs.fr Paul Voisin paul.voisin@lpn.cnrs.fr Zhao Zhong Wang Zhao-Zhong.Wang@lpn.cnrs.fr

2 Activités scientifiques de l équipe : L équipe Nanoélectronique de spin étudie les phénomènes dépendants du spin, essentiellement dans des nanostructures de semiconducteurs III-V. Il s agit de comportements collectifs d une assemblée de spin, comme le ferromagnétisme du composé GaMnAs, ou à l opposé du comportement individuel d un ou de quelques spins, comme un ion Mn inséré dans une boîte quantique d InAs ou près d une surface de GaAs. Pour observer ces phénomènes nous avons à notre disposition plusieurs techniques expérimentales, comme le magnéto-transport, la magnétooptique ou la microscopie à effet tunnel. Plus récemment nous avons étendu nos études à d autres matériaux comme le graphène ou les hétérostructures métalliques. Manipulation optique du spin dans les boîtes quantiques. L objectif de cette action est d étudier par des méthodes optiques les propriétés fondamentales qui peuvent limiter la cohérence de spin (électronique ou d une impureté magnétique) dans une boîte quantique, comme par exemple l interaction hyperfine avec les noyaux ou bien le rôle du couplage spin-orbite. Ce faisant, nous comptons explorer les possibilités de manipulation optique du spin en s attachant en particulier à la réalisation des fonctions d écriture et de lecture de l orientation du spin dans une boîte quantique individuelle (O. Krebs, L. Lanco et P. Voisin). Spintronique mésoscopique. Cette activité concerne l étude du transport quantique de spins dans un conducteur cohérent, ferromagnétique ou non, ainsi que des mécanismes de déphasage et de décohérence. (R. Giraud, D. Mailly, F. Pierre et G. Faini) Le semiconducteur ferromagnétique GaMnAs. Nous développons de nouveaux alliages et hétérostructures ferromagnétiques basés sur le semiconducteur GaMnAs pour développer et expérimenter de nouveaux concepts pour la manipulation de l aimantation, l injection et la détection de spin. Nous attachons aussi à étudier plus précisément les particularités de ce ferromagnétisme. Par exemple, nous étudions ses implications pour le nanomagnétisme ou encore la spectroscopie tunnel des bandes de valence anisotropes du GaMnAs. (A. Lemaitre, R. Giraud et G. Faini) Nanomagnétisme à l échelle atomique. L objectif est la mesure de la structure électronique et magnétique de la matière à l échelle atomique, grâce aux techniques de microscopie à effet tunnel (STM) sous ultra-vide et basse température: la spectroscopie à effet tunnel (STS) et la microscopie tunnel résolue en spin (SP-STM). Nous explorons les questions fondamentales liées à la réduction de dimension de matériaux magnétiques lorsque que les tailles caractéristiques atteignent des échelles nanométriques. Nos études portent essentiellement sur les matériaux modèles de la nanoélectronique et de l électronique de spin : hétérostructures ou nanostructures à base de semi-conducteurs et de matériaux magnétiques. Dans ce cadre, les propriétés d atomes magnétiques uniques de Mn dilués dans une matrice semi-conductrice de GaAs sont étudiées. L imagerie résolue en spin est également entreprise sur des objets présentant des structures magnétiques nanométriques tel

3 que des structures antiferromagnétiques et des parois de domaines magnétiques. (J.- C. Girard, G. Rodary, Z.Z. Wang)

4 Recherche(s) et résultat(s) obtenu(s) dans les domaines d actions des nanosciences : Spectroscopie résolue en spin d un ion Mn unique dans une boîte InAs/GaAs Densité spectrale de luminescence d une boîte quantique excitée par une lumière polarisée circulairement en fonction d un champ magnétique. Nous avons étudié le régime d orientation optique dans les boîtes InAs/GaAs dopées par un atome Mn et la polarisation dynamique des spins nucléaires qui en résulte. Nous observons une forte non-linéarité du système électron-noyau qui se traduit par des sauts du champ Overhauser (le champ magnétique effectif associé à la polarisation nucléaire). A la différence des boîtes non-dopées, nous observons ces sauts à plusieurs reprises lors d une rampe de champ magnétique. En outre, les différentes raies qui composent un spectre montrent des variations d intensité corrélées aux sauts du champ nucléaire. On peut en déduire quels sont les niveaux impliqués dans les processus de «flip-flop» électron-noyau. La multiplicité des sauts résulte de l échange e-a 0 qui, agissant comme un champ magnétique positif ou négatif suivant le niveau FM ou AFM considéré, favorise ou limite les retournements simultanés de spin électron-noyau. Imagerie STM d ions Mn dans GaAs Résolution atomique de la surface GaAs(110) où deux atomes de Mn (papillons) et deux atomes de Be (triangles) sont observables. Le STM en section transverse (X-STM) a été utilise pour imager et réaliser la spectroscopie d atomes individuels de Mn présent en subsurface d échantillons de GaMnAs clivés selon la face (110) et sous ultra-vide. Des images de haute résolution atomique ont été obtenues et montrent des motifs «en papillon» correspondant aux atomes de Mn qui substituent les cations de Ga dans la matrice de semi-conducteur. Nous avons également identifié par STM la symétrie renversée de ces motifs pour les plans de clivages non équivalents (110) et (1-10). Des calculs de liaisons fortes ont montrés que ces images sont formées par hybridation d états d impuretés et d états de surfaces intrinsèques et mettent en évidence le rôle de l effet de «buckling» qui apparaît sur les surfaces (110) de semi-conducteurs III-V. Des mesures de spectroscopie ont été de plus réalisées sur de nombreux Mn individuels. Nous avons systématiquement observé un pic de résonance présent dans le gap du semi-conducteur dont l énergie est attribuée au niveau d accepteur du Mn dans GaAs. (J.M. Jancu PRL 2008)

5 Imagerie résolue en spin de la surface de Cr(001) Image topographique (à gauche) et spectroscopique (à droite) d une succession de marches monoatomiques d une même surface de Cr(001). A droite, le contraste foncé et clair est attribué à l alternance de l orientation de l aimantation La technique du STM polarisé en spin (SP- STM) a été récemment développée au LPN. L observation d une pointe de W recouverte de Cr utilisée pour le SP-STM a été réalisée par microscopie électronique à transmission haute résolution. Cette étude originale a permis de déterminer la structure atomique de l apex de la pointe et d en comprendre en conséquence sa sensibilité magnétique. Grâce à cette préparation de pointes, il a été possible de réaliser l imagerie résolue en spin d une surface de Cr(001) déposée sur un substrat de MgO(001) clivé in situ. L ordre antiferromagnétique du Cr(001) avec alternance de l orientation de l aimantation d un plan (001) à l autre a pu être mis en évidence grâce au SP-STM. (Rodary APL2011). Mésospintronique Fluctuations universelles de conductance d'un nanofil ferromagnétique GaMnAs La mesure de la longueur de cohérence de phase dans GaMnAs, par analyse des fluctuations universelles de conductance d un nanofil, et la mise en évidence du déphasage induit par un désordre statique de spins, nous a permis de démontrer un nouveau mécanisme de déphasage de porteurs cohérents dans un conducteur mésoscopique, probablement par précession dans un champ d'échange inhomogène [L. Vila et al., PRL 98, (2007)]. Nos résultats les plus récents concernent l'observation du déphasage quantique d un courant de spins traversant une paroi de domaines magnétiques piégée au niveau du conducteur mésoscopique. Ces études ouvrent une nouvelle voie d'étude en nanospintronique quantique, où la modification de la phase de spins cohérents, par interaction avec un champ d'échange inhomogène, permet de changer la conductance.

6 Spectroscopie tunnel des bandes de valence anisotropes de GaMnAs Spectroscopie tunnel résolue en énergie des anisotropies de bande de valence de GaMnAs La spectroscopie électrique de diodes tunnel ferromagnétiques à base de GaMnAs, résolue en énergie ou en impulsion, nous a permis de mettre en évidence les anisotropies cubique et uni-axiale des différentes bandes de valence de (Ga,Mn)As. Ces études démontrent la nature exacte des porteurs libres dans (Ga,Mn)As, à l'origine du ferromagnétisme, qui existent dans la bande de valence de GaAs, loin de la mini-bande d'impuretés Mn. Les différentes anisotropies magnétiques portées par les états de Bloch dans (Ga,Mn)As induisent un mécanisme dit d'anisotropie de magnéto-résistance tunnel, permettant d'étudier de nouveaux concepts pour les dispositifs en électronique de spin, basés sur l'anisotropie de ces nouveaux matériaux ferromagnétiques. Contrôle de l anisotropie magnétique de GaMnAs par la contrainte épitaxiale Cycles d hystérésis d une couche de GaMnAsP. Le champ est appliqué perpendiculaire au plan de la couche. L axe facile est hors du plan. L anisotropie magnétique de GaMnAs est liée à l anisotropie de la bande de valence du semiconducteur. Celle-ci est particulièrement sensible à la contrainte épitaxiale de la couche magnétique déposée sur son substrat de GaAs. L incorporation d une faible quantité de phosphore dans la couche GaMnAs en substitution des ions As permet de modifier cette contrainte (Lemaitre et al, APL08). Ainsi il est possible de faire basculer l axe de facile aimantation d une direction dans le plan à une direction hors-du-plan. Cette propriété est intéressante pour développer de nouvelles structures où l aimantation peut être contrôlée par un paramètre externe, comme une tension.

7 Programme de recherche : Etude et contrôle optique d un spin unique Mn dans une boîte quantique InAs. Cette approche propose l étude des propriétés fondamentales des boîtes quantiques InAs/GaAs contenant un atome de manganèse (ou un petit nombre de ces atomes) par des méthodes optiques. D un côté, l objectif est de mieux décrire les perturbations induites par une telle impureté dans un matériau semi-conducteur avec éventuellement la possibilité de réaliser des mémoires ou composants magnétiques, de l autre, les propriétés fondamentales du système «boîte quantique InAs:Mn» sont envisagées en tant que telles dans le contexte de l information quantique utilisant le spin unique lié à l atome Mn, soit comme bit élémentaire, soit comme degré de liberté supplémentaire pour des dispositifs photoniques quantiques. Des études SP-STM sur les propriétés de spins uniques. Le comportement magnétique d atome individuel, le couplage entre spins, et l anisotropie magnétique seront étudiés pour des atomes magnétiques ou des structures artificielles de quelques atomes. Les atomes magnétiques (Fe, Cr, Mn, ) seront déposés in situ à la surface de semiconducteurs et/ou de graphène. Nous proposons également d'incorporer des atomes magnétiques dans des nanostructures comme des puits ou boîtes quantiques, par manipulation atomique. Spintronique mésoscopique. Nous étudions le transport quantique cohérent de courants de spins dans des nano-aimants (GaMnAs, FePt). Le but est d'utiliser le magnétisme pour modifier la phase de porteurs libres cohérents, puis de les faire interférer pour réaliser un transistor quantique de spins (basé sur l'interaction d'échange plutôt que sur le couplage spin-orbite). Les études présentes se concentrent sur le déphasage par une paroi de domaines magnétiques, ainsi que sur l'étude de la décohérence induite par les fluctuations magnétiques (ondes de spins, fluctuations internes d'une paroi de domaine). Transport quantique cohérent dépendant du spin dans le graphène. Nous cherchons à étudier le transport quantique cohérent de courants de spins injectés dans une nanostructure nonmagnétique de graphène, où la longueur de cohérence de phase peut être très grande. L'étude du déphasage par effet de proximité avec un contact ferromagnétique, et la réalisation d'un interféromètre quantique de spins, sont les deux objectifs poursuivis. Le contrôle de l aimantation dans GaMnAs(P). Nous explorons différents concepts pour manipuler l aimantation dans le composé GaMnAs(P), comme le transfert de spin dans les pistes magnétiques ou le basculement des multi-couches, une tension, des impulsions lumineuses ultra-courtes ou des ondes acoustiques. L'imagerie et la spectroscopie des semi-conducteurs magnétiques dilués. Des mesures d imagerie et de spectroscopie de dopants individuels seront menées dans le cas notamment de GaMnAsP récemment élaboré en épitaxie par jets moléculaires au LPN et pour lequel la direction d aimantation est contrôlée par la concentration de P. Nano-magnétisme d'un plot GaMnAs unique. L'effet tunnel anisotrope de diodes Zener- Esaki GaMnAs/GaAs permet d'étudier les propriétés magnétiques (anisotropie, champs de renversement d'aimantation) d'un nano-plot GaMnAs (diamètre supérieur à 100nm). Ces études sont réalisées en champ magnétique 3D (1T vectoriel) et à très basse température (T>20mK).

8 Références : «Atomic structure of tip apex for spin-polarized scanning tunneling microscopy», G. Rodary, J.-C. Girard, L. Largeau, C. David, O. Mauguin, Z.-Z. Wang, Appl. Phys. Lett. 98, (2011) «Single-shot initialization of electron spin in a quantum dot using a short optical pulse», V. Loo, L. Lanco, O. Krebs, P. Senellart, P. Voisin, Phys. Rev. B 83, (2011) «Effect of picosecond strain pulses on thin layers of the ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)(As,P)», L. Thevenard, E. Peronne, C. Gourdon, C. Testelin, M. Cubukcu, E. Charron, S. Vincent, A. Lemaître, and B. Perrin, Phys. Rev. B 82, (2010) «Exchange constant and domain wall width in (Ga,Mn)(As,P) films with self-organization of magnetic domains», S. Haghgoo, M. Cubukcu, H. J. von Bardeleben, L. Thevenard, A. Lemaître, and C. Gourdon, Phys. Rev. B 82, (2010) «Electronic structure of cleaved InAsP/InP(001) quantum dots measured by scanning tunneling microscopy», B. Fain, J.-C. Girard, D. Elvira, C. David, G. Beaudoin, A. Beveratos, I. Robert-Philip, I. Sagnes and Z.-Z. Wang, Appl. Phys. Lett. 97, (2010) «Electron and hole spin cooling efficiency in InAs quantum dots: The role of nuclear field», P. Desfonds, B. Eble, F. Fras, C. Testelin, F. Bernardot, M. Chamarro, B. Urbaszek, T. Amand, X. Marie, J. M. Gerard, V. Thierry-Mieg, A. Miard, and A. Lemaître, Appl. Phys. Lett. 96, (2010) «Surface Charge Density Wave Transition in NbSe 3», C. Brun, Z.-Z. Wang, P. Monceau, S. Brazovskii, Phys. Rev. Lett. 104, (2010). «Anomalous Hanle Effect due to Optically Created Transverse Overhauser Field in Single InAs/GaAs Quantum Dots», O. Krebs, P. Maletinsky, T. Amand, B. Urbaszek, A. Lemaître, P. Voisin, X. Marie, and A. Imamoglu, Phys. Rev. Lett. 104, (2010) «Hole and trion spin dynamics in quantum dots under excitation by a train of circularly polarized pulses», B. Eble, P. Desfonds, F. Fras, F. Bernardot, C. Testelin, M. Chamarro, A. Miard and A. Lemaître, Phys. Rev B 81, (2010) «Adjustable anisotropy in ferromagnetic (Ga,Mn) (As,P) layered alloys», M. Cubukcu, H. J. von Bardeleben, Kh. Khazen, J. L. Cantin, O. Mauguin, L. Largeau, and A. Lemaître, Phys. Rev B 81, (2010) «Nonadiabatic spin-transfer torque in (Ga,Mn)As with perpendicular anisotropy», J.-P. Adam, N. Vernier, J. Ferre, A. Thiaville, V. Jeudy, A. Lemaître, L. Thevenard, and G. Faini, Phys. Rev. B 80, (2009) «Magnetization-controlled conductance in (Ga,Mn)As-based resonant tunneling devices», M. Tran, J. Peiro, H. Jaffres, J.-M. George, O. Mauguin, L. Largeau, and A. Lemaître, Appl. Phys. Lett. 95, (2009) «Unusual domain-wall motion in ferromagnetic semiconductor films with tetragonal anisotropy», C. Gourdon, V. Jeudy, A. Cebers, A. Dourlat, Kh. Khazen, and A. Lemaître, Phys. Rev. B 80, (2009) ; «Magnetic anisotropy of singly Mn-doped InAs/GaAs quantum dots», Olivier Krebs, Emile Benjamin, and Aristide Lemaître, Phys. Rev. B 80, (2009) «Macrospin behavior and superparamagnetism in (Ga,Mn)As nanodots», J.-P. Adam, S. Rohart, J. Ferré, A. Mougin, N. Vernier, L. Thevenard, A. Lemaître, G. Faini, and F. Glas, Phys. Rev. B 80, (2009)

9 «Controlling the Polarization Eigenstate of a Quantum Dot Exciton with Light», Thomas Belhadj, Claire-Marie Simon, Thierry Amand, Pierre Renucci, Beatrice Chatel, Olivier Krebs, Aristide Lemaître, Paul Voisin, Xavier Marie, and Bernhard Urbaszek, Phys. Rev. Lett. 103, (2009) «High speed pulsed electrical spin injection in spin-light emitting diode», V. G. Truong, P.-H. Binh, P. Renucci, M. Tran, Y. Lu, H. Jaffres, J.-M. George, C. Deranlot, A. Lemaître, T. Amand, and X. Marie, Appl. Phys. Lett. 94, (2009) «Spectra broadening of point-contact Andreev reflection measurement on GaMnAs», T. W. Chiang, Y. H. Chiu, S. Y. Huang, S. F. Lee, J. J. Liang, H. Jaffres, J. M. George, and A. Lemaître, J. Appl. Phys. 105, 07C507 (2009) «Enhancement of the Spin Accumulation at the Interface between a Spin-Polarized Tunnel Junction and a Semiconductor», M. Tran, H. Jaffres, C. Deranlot, J.-M. George, A. Fert, A. Miard, and A. Lemaître, Phys. Rev. Lett. 102, (2009) «Low temperature scanning tunneling microscopy wave-function imaging of InAs/GaAs cleaved quantum dots with similar height», J.-C. Girard, A. Lemaître, A. Miard, C. David and Z.-Z. Wang, J. Vac. Sci. Technol. B 27, 891 (2009) «Anisotropic magnetization relaxation in ferromagnetic Ga 1-x Mn x As thin films», Kh. Khazen, H. J. von Bardeleben, M. Cubukcu, J. L. Cantin, V. Novak, K. Olejnik, M. Cukr, L. Thevenard, and A. Lemaître, Phys. Rev. B 78, (2008) «STM Images of Subsurface Mn Atoms in GaAs: Evidence of Hybridization of Surface and Impurity States», J.-M. Jancu, J.-Ch. Girard, M. O. Nestoklon, A. Lemaître, F. Glas, Z. Z. Wang, and P. Voisin, Phys. Rev. Lett. 101, (2008) «Field-driven domain-wall dynamics in (Ga,Mn)As films with perpendicular anisotropy», A. Dourlat, V. Jeudy, A. Lemaître, and C. Gourdon, Phys. Rev. B 78, (2008) «Strain control of the magnetic anisotropy in (Ga,Mn) (As,P) ferromagnetic semiconductor layers», A. Lemaître, A. Miard, L. Travers, O. Mauguin, L. Largeau, C. Gourdon, V. Jeudy, M. Tran, and J.-M. George, Appl. Phys. Lett. 93, (2008) «Optical alignment and polarization conversion of the neutral-exciton spin in individual InAs/GaAs quantum dots», K. Kowalik, O. Krebs, A. Lemaître, J. A. Gaj, and P. Voisin, Phys. Rev. B 77, (2008) «Ferromagnetic resonance of Ga 0.93 Mn 0.07 As thin films with constant Mn and variable freehole concentrations», Kh. Khazen, H. J. von Bardeleben, J. L. Cantin, L. Thevenard, L. Largeau, O. Mauguin, and A. Lemaître, Phys. Rev. B 77, (2008) «Determination of the micromagnetic parameters in (Ga,Mn)As using domain theory», C. Gourdon, A. Dourlat, V. Jeudy, K. Khazen, H. J. von Bardeleben, L. Thevenard, and A. Lemaître, Phys. Rev. B 76, (2007) ; «Optically Probing the Fine Structure of a Single Mn Atom in an InAs Quantum Dot», A. Kudelski, A. Lemaître, A. Miard, P. Voisin, T. C. M. Graham, R. J. Warburton, and O. Krebs, Phys. Rev. Lett. 99, (2007) «Monitoring electrically driven cancellation of exciton fine structure in a semiconductor quantum dot by optical orientation», K. Kowalik, O. Krebs, A. Lemaître, B. Eble, A. Kudelski, P. Voisin, S. Seidl, and J. A. Gaj, Appl. Phys. Lett. 91, (2007) «Magnetic patterning of (Ga,Mn)As by hydrogen passivation», L. Thevenard, A. Miard, L. Vila, G. Faini, A. Lemaître, N. Vernier, J. Ferré, and S. Fusil, Appl. Phys. Lett. 91, (2007) ;

10 «Exchange-Mediated Anisotropy of (Ga,Mn)As Valence-Band Probed by Resonant Tunneling Spectroscopy», M. Elsen, H. Jaffrès, R. Mattana, M. Tran, J.-M. George, A. Miard, and A. Lemaître, Phys. Rev. Lett. 99, (2007) «Domain structure and magnetic anisotropy fluctuations in (Ga,Mn)As: Effect of annealing», A. Dourlat, V. Jeudy, C. Testelin, F. Bernardot, K. Khazen, C. Gourdon, L. Thevenard, L. Largeau, O. Mauguin, and A. Lemaître, J. Appl. Phys. 102, (2007) ; «Anisotropic spin splitting of the electron ground state in InAs quantum dots», E. Aubry, C. Testelin, F. Bernardot, M. Chamarro, A. Lemaître, Appl. Phys. Lett. 90, (2007) «Universal Conductance Fluctuations in Epitaxial GaMnAs Ferromagnets: Dephasing by Structural and Spin Disorder», L. Vila, R. Giraud, L. Thevenard, A. Lemaître, F. Pierre, J. Dufouleur, D. Mailly, B. Barbara, G. Faini, Phys. Rev. Lett. 98, (2007)