块体砷化镓中的磁光克尔效应

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块体砷化镓中的磁光克尔效应

块体GaAs中pMOKE的起源可以通过考虑导带中自旋向上和自旋向下状态的不均匀占据来理解，如下侧图1所示。导带中的自旋不平衡导致两个自旋居群的费米能级存在差异。这对于能量接近带隙能量的光子的吸收有重要的影响。能量仅略高于Eg的光子只能激发跃迁进入自旋下子带。跃迁到自旋向上子带只有在光子具有较大能量时才有可能。

图1.左:大块砷化镓中左圆偏振光(lc)和右圆偏振光(rc)的光跃迁，从重带(hh)和光孔带(lh)跃迁到导带。右:计算出n↑= 1.5·1017 cm⁻³和n↓= 0.5·1017 cm⁻³的吸收光谱。α₀表示非极化情况下的吸收。

此外，跃迁必须遵守砷化镓中的偶极子选择规则。因此，两个圆形光模式只能耦合到某些过渡。例如，左圆偏振光可以激发从重空穴带到自旋向下子带的跃迁，但不能激发从重空穴带到自旋向上子带的跃迁。综上所述，导带的自旋不平衡结合光学选择规则，导致左右圆偏振光的吸收光谱如图1右侧所示。计算曲线清楚地揭示了两种圆光模式吸收系数的光谱依赖性不同，即系统对左右圆偏振光表现出不同的响应。这表明，导带中的自旋极化诱导了圆形双折射，因此，两种圆形光模式在通过半导体传播时经历了不同的相移，这导致入射线偏振光的偏振面旋转。

图2. 4.2 K时n↑= 1.5·1017 cm⁻³和n↓= 0.5·1017 cm⁻³的Kerr旋转谱

图2为根据图1的吸收系数计算得到的克尔旋转光谱期望值。克尔旋转仅在砷化镓带隙附近是非零的。此外，在频谱的中间存在一个符号反转。这表明正确的光子能量的选择对GaAs中pMOKE测量起着至关重要的作用。实验发现，不同样品的克尔旋转光谱略有不同。因此，在n-GaAs样品上进行pMOKE测量的第1步是优化探针激光束的光子能量。zui重要的是，对于一个固定的光子能量，克尔旋转角θK与GaAs导带的自旋积累µs成正比，只要电子自旋极化不太大(Pn≤20%)。由于本工作中体自旋注入实验总是如此，θK直接反映了自旋积累µs。

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