Hyperfine interaction in InAs/GaAs self-assembled quantum dots: dynamical nuclear polarization versus spin relaxation

Olivier Krebs; Benoît Eble; Aristide Lemaître; Paul Voisin; Bernhard Urbaszek; Thierry Amand; Xavier Marie

doi:10.1016/j.crhy.2008.10.001

Hyperfine interaction in InAs/GaAs self-assembled quantum dots: dynamical nuclear polarization versus spin relaxation
[Interaction hyperfine dans des boîtes quantiques auto-assemblées InAs/GaAs : polarisation dynamique des noyaux versus relaxation de spin]

Olivier Krebs ¹ ; Benoît Eble ¹ ; Aristide Lemaître ¹ ; Paul Voisin ¹ ; Bernhard Urbaszek ² ; Thierry Amand ² ; Xavier Marie ²

¹ CNRS-Laboratoire de photonique et de nanostructures, route de Nozay, 91460 Marcoussis, France
² Laboratoire de physique et chimie des nano-objets, INSA/CNRS/UPS, 135, avenue de Rangueil, 31077 Toulouse cedex 4, France

Comptes Rendus. Physique, Recent advances in quantum dot physics / Nouveaux développements dans la physique des boîtes quantiques, Volume 9 (2008) no. 8, pp. 874-884.

Abstract (VO)
Résumé

We report on the influence of the hyperfine interaction on the optical orientation of singly charged excitons $X^{\pm}$ in self-assembled InAs/GaAs quantum dots. All measurements were carried out on individual quantum dots studied by micro-photoluminescence at low temperature. We show that the hyperfine interaction leads to an effective partial spin relaxation, under 50 kHz modulated excitation polarization, which becomes, however, strongly inhibited under steady optical pumping conditions because of dynamical nuclear polarization. This optically created magnetic-like nuclear field can become very strong (up to $\sim 4 T$ ) when it is generated in the direction opposite to a longitudinally applied field, and exhibits then a bistability regime. This effect is very well described by a theoretical model derived in a perturbative approach, which reveals the key role played by the energy cost of an electron spin flip in the total magnetic field. Finally, we emphasize the similarities and differences between $X^{+}$ and $X^{-}$ trions with respect to the hyperfine interaction, which turn out to be in perfect agreement with the theoretical description.

Nous présentons nos travaux sur l'influence de l'interaction hyperfine dans l'orientation optique des excitons mono-chargés $X^{\pm}$ , dans des boîtes quantiques auto-assemblées InAs/GaAs. Toutes les mesures discutées ont été effectuées sur des boîtes quantiques uniques étudiées par micro-photoluminescence à basse température. Nous montrons que l'interaction hyperfine conduit à une relaxation partielle de spin, lorsque la polarisation de l'excitation est modulée à 50 kHz, relaxation qui est fortement atténuée dans des conditions de pompage optique stationnaire en raison de la polarisation dynamique des noyaux. Le champ magnétique effectif qui en résulte peut devenir très fort (jusqu'à $\sim 4 T$ ) lorsqu'il est généré dans la direction opposée à un champ magnétique appliqué longitudinalement, et présente alors un régime de bistabilité. Cet effet est très bien décrit par un modèle théorique obtenu dans une approche perturbative, qui révèle le rôle clé joué par l'énergie de retournement de spin d'un électron dans le champ magnétique total. Enfin, nous examinons les similitudes et différences entre trions $X^{+}$ et $X^{-}$ vis à vis de l'interaction hyperfine, lesquelles sont en plein accord avec notre description théorique.

Publié le : 2008-10-01

DOI : 10.1016/j.crhy.2008.10.001

Keywords: Quantum dots, Hyperfine interaction, Optical orientation, Spin relaxation
Mots-clés : Boîtes quantiques, Interaction hyperfine, Orientation optique, Relaxation de spin

Affiliations des auteurs :

Olivier Krebs ¹ ; Benoît Eble ¹ ; Aristide Lemaître ¹ ; Paul Voisin ¹ ; Bernhard Urbaszek ² ; Thierry Amand ² ; Xavier Marie ²

¹ CNRS-Laboratoire de photonique et de nanostructures, route de Nozay, 91460 Marcoussis, France
² Laboratoire de physique et chimie des nano-objets, INSA/CNRS/UPS, 135, avenue de Rangueil, 31077 Toulouse cedex 4, France

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