二维电子系统中砷化镓的磁光克尔效应

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二维电子系统中砷化镓的磁光克尔效应

除了本体砷化镓的自旋注入实验外，二维电子系统的自旋注入实验进行光学测量并不像在大块GaAs样品上进行pMOKE测量那么简单，因为2DEG对称性的降低可能会严重影响光学选择规则，从而影响pMOKE的强度。事实上，研究表明，在狭窄(约10 nm宽)的GaAs/(Al,Ga)As量子阱(QW)系统中，约束势迫使价带中重空穴态的轨道角动量和自旋角动量向垂直于QW平面的面外方向运动。此外，约束提升了Γ-point处重空穴态和轻空穴态的简并性，将轻空穴带移至较低能量处(见图1)。考虑到这两个因素，只有面外极化重空穴才能促进与导电带电子的复合过程。这对磁光过程有重大影响。在平面内极化电子的情况下，自旋极化角动量守恒阻止了在具有明确螺旋度的圆偏振光发射下具有重空穴的电子的复合。相反，只有线偏振光才能被探测到。

图1.(Al,Ga)As/ GaAs/(Al,Ga)As量子阱异质结构示意图。Ene表示导电带中电子的量子化能态。enh和Enlh分别是价带中重空穴和轻空穴的能态

在自旋LED实验中，通过直接比较电致发光在顶发射(电子自旋极化方向垂直于量子阱)和边发射(电子自旋极化方向在平面上)的圆极化，验证了这一效应。适用于10 nm和15 nm宽的量子阱在边缘发射几何结构中没有发现明显的圆极化，尽管在顶部发射中测量到了强烈的信号。然而，对于宽(体状)量子阱(d≥50 nm)，在边缘发射中甚至可以检测到圆极化，这表明与窄量子阱相比，由于量子约束减弱，重空穴自旋获得了面内分量因此，对于宽GaAs/(Al,Ga)As-QW系统，光学选择规则应该仍然允许边缘发射中的磁光效应，但与大块GaAs相比效率降低。

如果使用限制在GaAs/(Al,Ga)As界面的二维电子气体，情况就会发生变化，就像本实验中的情况一样。在这样的系统中，只有导带中的电子被限制在三角形势阱中;除了界面处的(Al,Ga) as势垒外，价带中的空穴完全不受限制。因此，在Γ-point处的轻、重空穴的简并性既没有提高，也不存在迫使空穴向面外方向旋转的约束。这些洞会表现得像普通的体积洞。因此，相对于块体GaAs, 2DEG中的光学选择规则将在质量上保持不变，并且边缘发射中的磁光克尔效应将显着。

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