Optical probing of the spin state of a single magnetic atom in a quantum dot

Lucien Besombes; Yoan Leger; Hervé Boukari; Laurent Maingault; David Ferrand; Joël Cibert; Henri Mariette

doi:10.1016/j.crhy.2008.10.013

Optical probing of the spin state of a single magnetic atom in a quantum dot
[Mesure optique de l'état de spin d'un atome magnétique dans une boite quantique]

Lucien Besombes ¹ ; Yoan Leger ¹ ; Hervé Boukari ¹ ; Laurent Maingault ¹ ; David Ferrand ¹ ; Joël Cibert ¹ ; Henri Mariette ¹

¹ CEA-CNRS group “Nanophysique et Semiconducteurs”, Néel Institute, CNRS and University J. Fourier, 25, avenue des Martyrs, 38042 Grenoble cedex 9, France

Comptes Rendus. Physique, Recent advances in quantum dot physics / Nouveaux développements dans la physique des boîtes quantiques, Volume 9 (2008) no. 8, pp. 885-901.

Résumé
Abstract

L'état magnétique d'un ion magnétique unique (Mn²⁺) inséré dans une boîte quantique individuel est sondé optiquement par micro-spectroscopie. La structure fine de l'exciton confiné dans le champ d'échange de l'ion unique Mn²⁺ ( $S = 5 / 2$ ) est analysée en détails. L'interaction d'échange exciton–Mn²⁺ induit un changement d'énergie de l'exciton qui dépend de la composante de spin du Mn²⁺, et six raies d'émission sont observées à champ magnétique nul. Ainsi, l'émission excitonique de la boîte quantique est une sonde directe de l'état de spin du manganèse. Les facteurs limitant d'une telle détection sont présentés : ils sont principalement dus à l'influence des effets géométriques tels que la distribution inhomogène des contraintes dans la boîte et la forme anisotrope de celle-ci. Dans une dernière partie, nous montrons comment on peut manipuler et comprendre quantitativement l'interaction entre un spin de manganèse unique et un porteur de charge confiné, en contrôlant l'état de charge de la boîte ( $0, \pm 1$ électron) optiquement ou par une tension électrostatique. Ceci ouvre la voie à un contrôle électrique (ou optique) des propriétés magnétiques d'un atome unique.

The magnetic state of a single magnetic ion (Mn²⁺) embedded in an individual quantum dot is optically probed using microspectroscopy. The fine structure of a confined exciton in the exchange field of a single Mn²⁺ ion ( $S = 5 / 2$ ) is analyzed in detail. The exciton–Mn²⁺ exchange interaction shifts the energy of the exciton depending on the Mn²⁺ spin component and six emission lines are observed at zero magnetic field. The QD exciton emission is then a direct probe of the Mn spin state. The limiting factors of such detection are then presented: they are mainly due to the influence of geometrical effects such as the anisotropic strain distribution into the QD and its shape anisotropy. In the last part, we show how we can manipulate and understand quantitatively the interaction between the single Mn spin and a confined carrier by controlling the charge state of a quantum dot ( $0, \pm 1$ electron) with an electrostatic (and optical) gate. This opens the way to an electrical or optical control of the magnetic properties of a single atom.

Publié le : 2008-10-01

DOI : 10.1016/j.crhy.2008.10.013

Keywords: Quantum dots, Optical properties, Magnetic impurities
Mots-clés : Boîtes quantiques, Propriétés optiques, Impuretés magnétiques

Affiliations des auteurs :

Lucien Besombes ¹ ; Yoan Leger ¹ ; Hervé Boukari ¹ ; Laurent Maingault ¹ ; David Ferrand ¹ ; Joël Cibert ¹ ; Henri Mariette ¹

¹ CEA-CNRS group “Nanophysique et Semiconducteurs”, Néel Institute, CNRS and University J. Fourier, 25, avenue des Martyrs, 38042 Grenoble cedex 9, France

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Lucien Besombes; Yoan Leger; Hervé Boukari; Laurent Maingault; David Ferrand; Joël Cibert; Henri Mariette. Optical probing of the spin state of a single magnetic atom in a quantum dot. Comptes Rendus. Physique, Recent advances in quantum dot physics / Nouveaux développements dans la physique des boîtes quantiques, Volume 9 (2008) no. 8, pp. 885-901. doi : 10.1016/j.crhy.2008.10.013. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2008.10.013/

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