Dinámica de la polarización del espín electrónico y nuclear en trampas paramagnéticas de Ga en GaAsN - Ibarra Sierra, Víctor Guadalupe (Universidad Autónoma Metropolitana, 2015)
Recientemente las propiedades de espín en muestras de GaAs dopadas con pequeñas cantidades de Nitrógeno han recibido un gran interés debido a la alta polarización del espín alcanzada por los electrones de la banda de conducción bajo excitación óptica de luz circularmente polarizada a temperatura ambiente. La incorporación de átomos de Nitrógeno desplaza a algunos Ga a los sitios intersticiales de la red creando estados localizados en la brecha de la banda prohibida. A estos estados se le conocen como centros de recombinación o trampas paramagnéticas. Debido a las propiedades de los centros de recombinación, estos capturan selectivamente electrones de la banda de conducción dependiendo de su orientación de espín. Este mecanismo origina altas polarizaciones de espín electrónicas y nucleares cuando la muestra es sujeta a bombeo óptico de luz circularmente polarizada. En esta tesis, estudiamos teóricamente la dinámica de polarización del espín electrónico y nuclear así como el papel desempeñado por la interacción hiperfina entre el electrón y núcleo en las trampas paramagnéticas. Para esto, desarrollamos un modelo de ecuación maestra para el operador matriz de densidad basado en la teoría de sistemas cuánticos abiertos. Este toma en cuenta las interacciones de Zeeman e hiperfina entre el espín electrónico y nuclear de los defectos intersticiales Ga de filtro de espín. Este enfoque nos permite identificar los principales mecanismos de relajación del espín de electrones y núcleos basados en la teoría de relajación de Wangsness–Bloch–Redfield. El actual modelo reproduce correctamente las principales características de los resultados experimentales de la intensidad de la fotoluminiscencia y del grado de polarización del espín de los electrones de la banda de conducción como función del campo magnético y de la excitación óptica. Incluso ha permitido predecir la observación de las oscilaciones coherentes de los electrones y núcleos en las trampas por medio de un esquema de pulso–prueba. El estudio de este tipo de sistemas es importante para diseñar dispositivos espintrónicos que pudieran operar a temperatura ambiente.; Recently the spin properties in GaAs samples doped with small amounts of Nitrogen have received great interest because of the large spin polarization achieved by the electrons in the conduction band under optical excitation of circularly polarized light at room temperature. The incorporation of Nitrogen atoms displaces the Ga ones to interstitial places of the lattice creating localized states in the band gap. These states are known as recombination centers or paramagnetic traps. Due to the properties of these recombination centers, they selectively capture electrons from the conduction band depending on their spin orientation. This mechanism originates large electron and nuclear spin polarizations when the sample is subject to circularly polarized optical pumping. In this thesis, we theoretically study the mechanism of dynamic electronic and nuclear spin polarization as well as the role played by the hyperfine interaction between electrons and nuclei in the paramagnetic traps. To this end, we develop a master equation model for the density matrix based on the theory of open quantum systems. It accounts for the Zeeman and hyperfine interaction between the electronic and nuclear spin of the Ga interstitial spin filtering defects. This approach has allowed us to identify the main mechanisms of spin relaxation for electrons and nuclei based on the Wangsness–Bloch–Redfield relaxation theory. The current model correctly reproduces the main features of the experimental results such as photoluminescence intensity and degree of circular polarization of the conduction band electrons as functions of the magnetic field and excitation power. This model has even allowed to predict the observation of the electronic and nuclear coherent oscillations by means of a pump–probe scheme. The study of this kind of systems is important to design spintronic devices that could operate at room temperature.