對於(yu) 極性磁光克爾效應(pMOKE)測量，樣品被線偏振激光束照射在法向入射下。從(cong) 表麵反射後，偏振麵傾(qing) 斜克爾角θK，這為(wei) 半導體(ti) 中自旋積累提供了一種測量方法。在砷化镓基異質結構中，pMOKE是由導帶中自旋極化引起的圓雙折射的結果。
塊體(ti) 砷化镓中的磁光克爾效應
塊體(ti) GaAs中pMOKE的起源可以通過考慮導帶中自旋向上和自旋向下狀態的不均勻占據來理解，如下側(ce) 圖1所示。導帶中的自旋不平衡導致兩(liang) 個(ge) 自旋居群的費米能級存在差異。這對於(yu) 能量接近帶隙能量的光子的吸收有重要的影響。能量僅(jin) 略高於(yu) Eg的光子隻能激發躍遷進入自旋下子帶。躍遷到自旋向上子帶隻有在光子具有較大能量時才有可能。
圖1.左:大塊砷化镓中左圓偏振光(lc)和右圓偏振光(rc)的光躍遷，從(cong) 重帶(hh)和光孔帶(lh)躍遷到導帶。右:計算出n↑= 1.5·1017 cm−3和n↓= 0.5·1017 cm−3的吸收光譜。α0表示非極化情況下的吸收。
此外，躍遷必須遵守砷化镓中的偶極子選擇規則。因此，兩(liang) 個(ge) 圓形光模式隻能耦合到某些過渡。例如，左圓偏振光可以激發從(cong) 重空穴帶到自旋向下子帶的躍遷，但不能激發從(cong) 重空穴帶到自旋向上子帶的躍遷。綜上所述，導帶的自旋不平衡結合光學選擇規則，導致左右圓偏振光的吸收光譜如圖1右側(ce) 所示。計算曲線清楚地揭示了兩(liang) 種圓光模式吸收係數的光譜依賴性不同，即係統對左右圓偏振光表現出不同的響應。這表明，導帶中的自旋極化誘導了圓形雙折射，因此，兩(liang) 種圓形光模式在通過半導體(ti) 傳(chuan) 播時經曆了不同的相移，這導致入射線偏振光的偏振麵旋轉。
圖2. 4.2 K時n↑= 1.5·1017 cm−3和n↓= 0.5·1017 cm−3的Kerr旋轉譜
圖2為(wei) 根據圖1的吸收係數計算得到的克爾旋轉光譜期望值。克爾旋轉僅(jin) 在砷化镓帶隙附近是非零的。此外，在頻譜的中間存在一個(ge) 符號反轉。這表明正確的光子能量的選擇對GaAs中pMOKE測量起著至關(guan) 重要的作用。實驗發現，不同樣品的克爾旋轉光譜略有不同。因此，在n-GaAs樣品上進行pMOKE測量的第1步是優(you) 化探針激光束的光子能量。zui重要的是，對於(yu) 一個(ge) 固定的光子能量，克爾旋轉角θK與(yu) GaAs導帶的自旋積累µs成正比，隻要電子自旋極化不太大(Pn≤20%)。由於(yu) 本工作中體(ti) 自旋注入實驗總是如此，θK直接反映了自旋積累µs。
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