Efeito de um campo magnético na emissão

Vamos analisar agora o grau de polarização circular da emissão, Pol, de nossos poços em função de um campo magnético externo. O foco deste estudo é a região de baixos campos magnéticos (<1T), onde deve ocorrer a saturação da magnetização dos íons de Mn. Na figura 5.7 apresentamos as componentes + e - da emissão da PL para alguns campos magnéticos para duas amostras características: a amostra com LSL=2.5 nm da série M e a

amostra com QMn=0.40ML da série CM. Observamos que a diferença de energia dos picos

correspondentes às bandas de emissão das componentes + e - quase não depende da amostra e sempre é menor que 1 meV. O qual é significativamente pequeno em relação à meia-largura da emissão para cada amostra e esta muito próximo a resolução do nosso sistema. Assim, focaremos nosso estudo no grau de polarização, uma vez que a intensidade da luminescência é uma medida muito mais confiável. E considerando um regime de

73 ocupação térmica em equilibro, onde a população dos estados com diferentes valores de momento angular deve ser proporcional ao desdobramento dos níveis de energia.

Vemos que para 0 T, a intensidade das duas componentes de polarização são iguais, mas com o aumento do campo aplicado, observamos uma pequena polarização das emissões. Em especial, ressaltamos uma diferença sutil, mas significativa no comportamento destas amostras. A amostra da serie A apresenta uma inversão no sinal de polarização para campos intermediários. Ou seja, para 0,3 T, a intensidade da componente

- para a amostra da série M é ligeiramente maior que a componente +, e esta relação se inverte para 3,0 T. Enquanto que a amostra da serie B apresenta um crescimento monótono no valor da polarização com o aumento do campo.

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Fig. 5.7– Espectros de PL com excitação linear, detecção polarizada + (curvas pretas) e - (curvas vermelhas), para a amostra (a) com QMn=0.40ML da série CM. Para três campos magnéticos diferentes e (b) LSL=2.5 nm da série M.

Para analisar melhor este comportamento, apresentaremos nas fig 5.8 (a) e 5.8 (b) o resultado do grau de polarização da emissão da PL em função de campo magnético aplicado nas amostras dos dois conjuntos.

Observamos que o grau de polarização das amostras da serie CM, apresentam um comportamento monótono com o campo magnético. Entretanto, vemos uma redução significativa do grau de polarização nas amostras como menor quantidade de Mn, sendo quase nula para a amostra com QMn=0.13ML. O resultado sugere uma marcante

dependência do desdobramento Zeeman com a quantidade de Mn inserida na estrutura, a qual se torna mais importante conforme aumenta QMn.

Além disso, o grau de polarização para as amostras com QMn grande, apresentam

um comportamento com características típicas de uma função cuja derivada diminui principalmente a campos pequenos. Conforme aumenta o campo, parece que uma componente linear domina, e o grau de polarização tende aumentar. Não obstante, a baixas temperaturas e campo magnéticos pequenos esperávamos um comportamento linear, seguindo as características típicas associadas ao efeito Zeeman da equação 3.35. Desta forma, o resultado indica a presença de uma componente adicional no grau de polarização, a qual domina para campos baixos e tem uma tendência de saturação.

Por outro lado, as amostras da serie M, apresentam um comportamento bastante diferente. O grau de polarização apresenta uma evidente inversão do sinal da polarização a baixos campos magnéticos, e se torna mais marcante conforme a camada delta de Mn fica mais próxima do poço. Este resultado sugere a presença de uma componente negativa no grau de polarização, a qual é significativamente dominante a baixos campos. Para analisar a contribuição Zeeman no grau de polarização, adicionamos o valor da componente negativa apenas para campos altos (onde esta contribuição deve dominar), e indicamos na mesma figura. Vemos que o termo da contribuição Zeeman à polarização, também tende a aumentar com a proximidade da camada de Mn na estrutura.

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Fig. 5.8– Dependência do grado de polarização com o campo magnético, para (a) amostras da série CM e (b) amostras da serie M. Estrela e triangulo: Aproximação da contribuição Zeeman no grau de polarização.

76 Os resultados anômalos para o grau de polarização, obtidos nos dois conjuntos de amostras, sugerem a presença de uma componente adicional no grau de polarização. Sendo que nas amostras da serie B, esta componente tem o mesmo sinal das componentes esperada, associada ao efeito Zeeman. Porém, nas amostras da serie M com LSL menor, o

efeito é bem mais forte, e surpreendentemente apresentam sinal oposto da componente esperada. Apesar dos comportamentos diferentes, nos dois casos, esta componente parece ter características típicas de saturação com o campo magnético, semelhante à de sistemas ferromagnéticos.

Ressaltamos que o fato desta componente adicional, ativa-se principalmente com a proximidade do Mn ao poço, apresentando uma marcante inversão do sinal no grau de polarização, indica que esta componente poderia estar associada à interação magnética entre os portadores e a camada delta de Mn.

Como apresentado no capítulo 3.11.1 eq 3.36, esta interação depende de uma função tipo Brillouin. Fig 3.19, a qual tende a saturar a partir de um determinado campo magnético, suficiente para alinhar todos os íons magnéticos o que reforça nossa interpretação. Esta interação, também depende do termo de acoplamento de troca entre os portadores e os íons de Mn, através do parâmetro (J ). Por sua vez, a forca deste parâmetro depende do overlapping da função de onda dos buracos confinados e os íons de Mn. Porém seu sinal, pode estar associado às diferentes configurações dos íons de Mn em cada estrutura; a qual pode ser no estado ionizado (A-), ou neutro (A0) como discutido no capítulo.

Estes comportamentos ficam resumidos na figura 5.9 onde apresentamos o grau de polarização para um campo magnético de 0.3 T, para as amostras investigadas acima. Na figura também incluímos o conjunto de amostras da serie M1, que tem características bastante similares às da serie M, porém possuem um valor maior na espessura da camada de GaAs logo acima do delta de Mn, como apresentado na tabela 5.1. O valor da polarização para as amostras da serie CM são apresentadas na fig 5.7 (b) em função de QMn.

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Fig. 5.9– Dependência do grado de polarização com a separação entre a camada delta de Mn, para (a) amostras da série M, M1 e (b) amostras da serie CM. Para um campo de 0.3T.

Observamos diferenças marcantes no comportamento do grau de polarização para todas as amostras. Os dois conjuntos com diferença apenas no cap layer (LCL), apresentam

valores de grau de polarização com sinais invertidos. Entretanto o valor absoluto do grau de polarização aumenta significativamente com a proximidade da camada de Mn ao poço. Por outro lado as amostras da serie CM com camada adicional de carbono apresentam valores positivos e relativamente pequenos.

O resultado indica dois fatos importantes. O overlapping das funções de onda entre os íons de Mn e os buracos, deve ser mais forte para os dois conjuntos de amostras sem C e com a camada de Mn mais próxima, cujo modulo do grau de pol é relativamente maior. Por outro lado, o sinal do grau de polarização, depende das características principais de crescimento como LCL, LSL, e a presença de uma camada adicional de M1. As quais devem

alterar o perfil de potencial de cada amostra que por sua vez, muda a posição do nível de fermi e portanto a configuração dos íons de Mn. Assim, o resultado sugeri que esta configuração deve ser significativamente diferente para as amostras da serie M com LCL

78 menor, em relação com as amostras dos outros dois conjuntos. O anterior concorda com o fato de termos parâmetros bastante sensíveis, os quais podem alterar consideravelmente a distribuição de carga de cada estrutura e portanto o respectivo perfil de potencial.

A seguir, vamos analisar o efeito da temperatura sobre o grau de polarização, focando o estudo nas amostras da serie M, que apresentaram mais marcante o efeito de inversão de sinal, como ilustrado na Fig. 5.10.

Fig. 5.10– Dependência do grado de polarização em função do campo magnético, para temperaturas diferentes, para duas amostras da séria M (a) amostra com LSL:1.5 nm, (b) amostra com LSL:2.5 nm.

Observamos que a componente linear se mantém para todas as temperaturas. O resultado reforça o fato de associar esta componente ao efeito Zeeman o qual não tem uma dependência com a temperatura de acordo com a equação 3.34. Por outro lado, vemos que o efeito de inversão do grau de polarização diminui com a temperatura. Para acompanhar de maneira mais prática este último efeito, na fig. 5.11 ilustramos a dependência do grau de polarização a 0.3 T para uma das amostras incluindo temperaturas ainda mais altas.

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Fig. 5.11– Dependência do grado de polarização em função da temperatura, para um campo magnético de 0.3T na amostra com LSL:2.5 nm.

Observamos que o efeito de inversão no grau de polarização desaparece para temperaturas da ordem de 60 K, a qual é consistente com a temperatura de Curie obtida em experimentos de amostras similares com camadas de Mn tipo delta. Assim o resultado corrobora nossa interpretação de associar este efeito com á magnetização da camada delta de Mn.

Resumindo, neste capítulo investigamos o grau de polarização da emissão da PL quando um campo magnético foi aplicado na direção do crescimento nos conjuntos de amostras estudadas. O grau de polarização revelou duas componentes principais com propriedades diferentes. O efeito de Zeeman, que está sempre presente, e outra que associamos à interação magnética dos portadores com os íons de Mn, a qual domina a polarização para campos magnéticos pequenos e a baixas temperaturas. Vimos também que esta componente é significativamente mais forte nas amostras sem M1, e dentro destas

80 amostras, aumenta com a proximidade da camada delta de Mn, isto é com o overlapping da função de onda dos buracos confinados e os íons de Mn. Finalmente, observamos que esta componente pode ter sinais diferentes, os quais dependem de parâmetros de crescimento específicos como , LCL, LSL e a presença ou não de uma camada delta de C na outra barreira

de GaAs. Apesar da variabilidade associada a este tipo de crescimento nossos resultados são bastante consistentes.