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Ann. Phys. Fr.
Volume 10, Number 6, 1985
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Page(s) | 1117 - 1138 | |
DOI | https://doi.org/10.1051/anphys:019850010060111700 | |
Published online | 01 June 2004 |
Optical pumping in semiconductors
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Laboratoire de Physique de la Matière Condensée , Ecole Polytechnique, 91128 Palaiseau Cedex, France
2
A.F. Ioffe Physico-Technical Institute, Academy of Sciences, Leningrad 194021, USSR
Optical Pumping in Semiconductors (OPS) arises from the transfer of angular momentum from light to the localized states of a semiconductor. Spin polarized electrons are thus excited in the conduction band; their polarization is convenient measured through the circular polarization of photoluminescence. This review gives an insight of the various studies based on OPS. After describing the first OPS experiment, we show that this technique allows the determination of band structure properties, and the optical detection of conduction electron spin resonance. The nuclei are polarized by hyperfine interaction, which permits the optical detection of nuclear resonance. A magnetic field transverse to the direction of light propagation produces an electronic depolarization analogous to the Hanle effect. The electron lifetime and spin relaxation time are measured under steady-state conditions by comparison to their Larmor frequency in this transverse field. By activation to Negative Electron Affinity of a GaAs surface, electrons oriented by OPS can be photoemitted into vacuum, leading to a highly spin-polarized beam : we describe a collision experiment in which such a beam transfers angular momentum to atoms.
Résumé
Le Pompage Optique dans les semiconducteurs (POS) provient du transfert de moment angulaire de la lumière vers les états délocalisés d'un semiconducteur. On excite ainsi dans la bande de conduction des électrons polarisés de spin, dont on mesure commodément la polarisation à partir de la polarisation circulaire de la photoluminescence. Cet article de revue présente un aperçu des différentes études fondées sur le POS. Après avoir décrit la première expérience de POS, nous montrons que par cette technique on peut déterminer des propriétés liées à la structure de bande, et détecter optiquement la résonance de spin des électrons de conduction. Les noyaux sont polarisés grâce au couplage hyperfin qui permet également la détection optique de la résonance nucléaire. Un champ magnétique transverse à la direction de propagation de la lumière produit une dépolarisation analogue à l'effet Hanle. On mesure en régime continu la durée de vie et le temps de relaxation de spin des électrons par comparaison à leur fréquence de Larmor dans ce champ transverse. Lorsqu'une surface de GaAs est activée en Affinité Electronique Négative, les électrons orientés par POS peuvent être photoémis dans le vide, formant un faisceau d'électrons fortement polarisé : nous décrivons une expérience dans laquelle un tel faisceau transfère, par collision, du moment angulaire à des atomes.
PACS: 0130R – Reviews and tutorial papers: resource letters / 7125T – Electronic structure of crystalline semiconductor compounds and insulators / 7220J – Charge carriers: generation, recombination, lifetime, and trapping semiconductors/insulators / 7670 – Magnetic double resonances and cross effects condensed matter / 7855 – Photoluminescence condensed matter / 7960E – Photoelectron spectra of semiconductors and insulators
Key words: band structure of crystalline semiconductors and insulators / carrier lifetime / CESR / luminescence of inorganic solids / magnetic double resonance / microwave optical double resonance / optical pumping / photoemission / photoluminescence / reviews / semiconductors / spin polarised electron emission / optical pumping / spin polarised electrons / polarised nuclei / photoemission / electron beams / angular momentum transfer / semiconductors / localized states / conduction band / polarization / band structure / optical detection / conduction electron spin resonance / hyperfine interaction / nuclear resonance / magnetic field / light propagation / electronic depolarization / Hanle effect / electron lifetime / spin relaxation time / Larmor frequency / transverse field / negative electron affinity / GaAs surface / spin polarized beam
© EDP Sciences, 1985