Optical generation and detection of spins in Pt/Cu/Ge and Au/Cu/Ge heterojunctions

Differently from the charge current, the vector S of flowing electrons in a spin current is not randomly oriented but it is directed along a preferential direction with a disparity between up and down states. In this case the spin dependent scattering of an electron with an atom of a non magnetic material generates the inverse spin-Hall effect (ISHE), a phenomenon that gives rise to a transverse detectable electric field EH. The aim of our experiments is to study the spin dynamics of electrons in germanium measuring the energy dependence of the potential difference due to EISHE in Pt/Cu/Ge and Au/Cu/Ge heterojunctions. We will also compare the two measurements in order to understand which of the two mediums (Pt and Au) has the better spin-charge conversion efficiency. The polarized population is injected optically through the absorption of circularly polarized photons that transfer the angular momentum to the electrons. After the verification of the ISHE origin of the potential difference by performing some tests, we obtained that in Pt/Cu/Ge junction the spin-charge conversion efficiency is about twice as large as the Au/Cu/Ge one, a result that is coherent with other measures performed with different techniques of injection and detection. Finally a qualitative analysis on the spectral dependence of the potential difference has demonstrated the agreement between experimental data and the theoretical model.

Differentemente dalle correnti di carica, nelle correnti di spin il vettore S non è orientato casualmente ma è diretto lungo una direzione preferenziale con una disparità tra il numero di elettroni negli stati up e down. In questo caso lo scattering spin dipendente di un elettrone con un atomo di un materiale non magnetico genera l’effetto di spin-Hall inverso (ISHE), un fenomeno che provoca la comparsa di un campo elettrico EISHE trasversale rispetto alla corrente di spin. Lo scopo dei nostri esperimenti è lo studio della dinamica dello spin nel germanio misurando la differenza di potenziale dovuta ad EISHE nelle eterogiunzioni Pt/Cu/Ge e Au/Cu/Ge. Inoltre compareremo i due risultati per determinare quale dei due metalli (Pt o Au) ha la migliore efficienza di conversione spin-carica. La popolazione elettronica polarizzata viene iniettata otticamente grazie all’assorbimento di fotoni polarizzati circolarmente che trasferiscono momento angolare agli elettroni. Dopo aver verificato che il segnale di tensione misurato è in qualche modo collegato all’ISHE effettuando dei test, abbiamo scoperto che nella giunzione Pt/Cu/Ge l’efficienza di conversione spin-carica è circa il doppio rispetto alla Au/Cu/Ge, un risultato che è coerente con altre misure effettuate con tecniche di iniezione e detezione differenti. Infine un’analisi qualitativa della dipendenza spettrale del segnale ha dimostrato come i risultati sperimentali siano in accordo con il modello teorico.