Modulation of spin currents by means of the spin Hall effect in bulk germanium

Spintronics is a relatively recent field of investigation of solid state physics which is be- coming more and more important as grows the demand for new innovative technologies that classical electronics cannot always satisfy. Spintronics aims at the active control of injection, manipulation and detection of spin currents in different platforms, such as magnetic metals, semiconductor and semiconductor heterostructures, 2D materials and topological insulators. Although many improvements have been already reached in the de- sign of spin-based magnetic random access memory cells (MRAMs), magnetic spintronic devices cannot perform logic operations yet. It is then convenient to look for alternative platforms, such as semiconductors, where spin manipulations could be more easily engi- neered. In this respect, Si and Ge seem to be the prominent candidates for this goal, due to the easy integrability with common electronic devices. In this thesis, in particular, the main properties of spin transport inside a germanium sub- strate are investigated, thanks to the generation of a current of spin polarized electrons by means of the phenomenon of optical orientation. Then, to measure the actual presence of this spin current, the inverse spin Hall effect (ISHE) has been used inside some metallic stripes to enable the spin-to-charge conversion, which allows transforming spin currents into the more easily detectable charge currents. The ultimate goal of this work is to investigate the possibility of modulating a spin current flowing into a Ge substrate, using spin electrochemical potentials which are electrically controlled by the spin Hall effect, taking place in a thin Pt pad deposited on top of Ge.

La spintronica è un campo di ricerca della fisica dello stato solido relativamente recente che sta diventando sempre più importante al progredire della richiesta di nuove tecnologie innovative, che non sempre l’elettronica classica può soddisfare. La spintronica punta alla possibilità di controllare attivamente l’iniezione, la manipolazione e il rilevamento di correnti di spin in diverse piattaforme, come metalli magnetici, semiconduttori e loro eterostrutture, materiali 2D e isolanti topologici. Nonostante siano stati raggiunti molti miglioramenti nel disegno delle celle di memorie ad accesso casuale basate sullo spin, i dispositivi magnetici della spintronica non sono ancora in grado di effettuare operazioni logiche. Perciò, è utile cercare piattaforme alternative, come i semiconduttori, in cui la manipolazione dello spin è più facilmente realizzabile. A questo proposito, Si e Ge sem- brano essere ottimi candidati per questo scopo, grazie alla facile integrabilità con i comuni dispositivi elettronici. In questa tesi, in particolare, sono state indagate le principali proprietà del trasporto di spin all’interno di un substrato di germanio, grazie alla generazione di una corrente di elettroni spin-polarizzati attraverso il fenomeno dell’orientazione ottica. Per andare poi a misurare l’effettiva presenza di questa corrente di spin è stato sfruttato l’inverse spin Hall effect (ISHE) all’interno di strisce metalliche, che permette la cosiddetta conversione spin-carica, ovvero consente di trasformare correnti di spin in correnti di carica più facil- mente rilevabili. Lo scopo ultimo di questo lavoro è quello di indagare la possibilità di modulare una cor- rente di spin, che scorre in un substrato di Ge, utilizzando potenziali elettrochimici di spin controllati elettricamente dallo spin Hall effect, che avviene in una sottile striscia di Pt depositata sul Ge.