Terahertz response of optically injected spin polarization in semiconductors

Abstract

Studying spin-related processes in time-resolved experiments is crucial for the devel- opment of ultrafast spintronic devices. Conventional electronic methods for investigating these processes are limited by temporal resolution and the need for invasive contact elec- trodes. For the study of these processes in semiconductor materials we exploit the optical orientation-optical injection of spin-polarized carriers by circularly polarized light. To investigate their spin transport properties in the ultrafast regime, we utilize terahertz (THz) time-domain spectroscopy and perform measurements of the helicity-dependent response of GaAs and MnTe2. We successfully develop the technique of optical-pump THz-probe in the Laboratory of Terahertz Spintronics, Charles University, and detect the THz spin Hall effect in GaAs. We then perform the first-ever measurements of helicity-dependent signals in MnTe2. These results pave the way for further exploration of spintronic phenomena in a wide range of semiconductor materials.

Zkoumání spinových procesů v experimentech s časovým rozlišením má zásadní vý- znam pro vývoj ultrarychlých spintronických zařízení. Běžné elektronické metody pro studium těchto procesů jsou omezeny časovým rozlišením a nutností použití kontaktů které ovlivňují výsledky měření. Pro studium těchto procesů v polovodičových materiá- lech využíváme jevu optické orientace, tedy injekce spinově polarizovaných nosičů pomocí kruhově polarizovaného světla. Ke zkoumání jejich spinových transportních vlastností v ultrarychlém režimu používáme terahertzovou (THz) spektroskopii v časové doméně a provádíme měření helicitně závislé odezvy GaAs a MnTe2. V Laboratoři terahertzové spintroniky Univerzity Karlovy jsme úspěšně implementovali techniku optické excitace a THz sondování a detekovali jsme THz spinový Hallův jev v GaAs. Následně jsme reali- zovali vůbec první měření helicitně závislých signálů v MnTe2. Tyto výsledky otevírají cestu k dalšímu zkoumání spintronických jevů v široké škále polovodičových materiálů.