Dynamic spin polarization by orientation-dependent separation in a ferromagnet–semiconductor hybrid

Abstract

Integration of magnetism into semiconductor electronics would facilitate an all-in-one-chip computer. Ferromagnet/bulk semiconductor hybrids have been, so far, mainly considered as key devices to read out the ferromagnetism by means of spin injection. Here we demonstrate that a mn-based ferromagnetic layer acts as an orientation-dependent separator for carrier spins confined in a semiconductor quantum well that is set apart from the ferromagnet by a barrier only a few nanometers thick. By this spin-separation effect, a non-equilibrium electronspin polarization is accumulated in the quantum well due to spin-dependent electron transfer to the ferromagnet. The significant advance of this hybrid design is that the excellent optical properties of the quantum well are maintained. This opens up the possibility of optical readout of the ferromagnet's magnetization and control of the non-equilibrium spin polarization in non-magnetic quantum wells.

Spin-dependent tunneling in semiconductor heterostructures with a magnetic layer

“…2 is a comparison of the calculated electron sheet density and spin polarization dynamics (10) with the time dependence of the PL observed in experiments 14,15 for two different spacer thickness d = 5, 10. In the calculation we used the following parameters: τ = 10 meV, τ d = 0.1 ps, E d = 47 meV, W e = 45 meV, ∆ = 2.5 meV.…”

“…We applied the model described above to the experimental data on time-resolved PL 14,15 . As the transition rates for spin up and spin down electrons leaving the QW through the non-radiative channel are different (Γ +1/2 = Γ −1/2 ), a nonzero spin accumulates in the QW.…”

“…The theory of this mechanism has been developed in 10,11 and it is probably relevant to the experimental data reported in 12,13 . However the recent time-resolved experiments on similar samples with more shallow In x Ga 1−x As QW have demonstrated that under moderate photoexcitation the spin polarization in GaMnAs-based hybrid is a non-equilibrium, dymanic effect 14 . We argue that in these experiments the circular polarization of the PL stems from the dynamic spin polarization of the photoexcited electrons.…”

Управление циркулярной поляризацией электролюминесценции в спиновых светоизлучающих диодах на основе гетероструктур InGaAs/GaAs/delta<Mn>

“…В подобных структурах реализуется фундаментальное физическое явление ориентации по спину носителей заряда в активной области за счет обменного взаимодействия с близкорасположенным фер-ромагнитным слоем (эффект близости) [1][2][3]. К прак-тическим преимуществам эффекта близости можно от-нести возможность создания спиновой поляризации в полупроводнике без использования явления спиновой инжекции, в то время как большинство полупровод-никовых гетероструктур ферромагнетик / полупроводник используют именно принцип спиновой инжекции для генерации спин-ориентированных носителей [4,5].…”

“…К прак-тическим преимуществам эффекта близости можно от-нести возможность создания спиновой поляризации в полупроводнике без использования явления спиновой инжекции, в то время как большинство полупровод-никовых гетероструктур ферромагнетик / полупроводник используют именно принцип спиновой инжекции для генерации спин-ориентированных носителей [4,5]. Одной из разновидностей структур, в которых проявляется эффект близости, является квантовая гетерострукту-ра InGaAs/GaAs с дельта-слоем Mn, встроенным в GaAs барьер на небольшом удалении от квантовой ямы InGaAs [3,6,7]. Ранее было показано, что на-магниченный ферромагнитный δ Mn -слой обеспечива-ет спиновую поляризацию носителей в квантовой яме InGaAs.…”