Электрическое управление p-d обменным взаимодействием в гибридной структуре ферромагнетик-полупроводник / Коренев В.Л., Калитухо И.В., Aкимов И.A., Сапега В.Ф., Жуков Е.А., Kirstein E., Кен О.С., Kudlacik D., Karczewski G. , Wiater M., Wojtowicz T., Ильинская Н.Д., Лебедева Н.М., Комиссарова Т.А., Яковлев Д.Р., Кусраев Ю.Г., Bayer M.

Электрический контроль ферромагнетизма в нанометровом масштабе – одна из важных задач,решение которой необходимо для интеграция магнетизма в полупроводниковую электронику [1]. Вэтом отношении привлекательными являются гибридные структуры ферромагнетик-полупроводник.Такие структуры могут объединять свойства изолированных компонентов: магнитный порядокферромагнетика (ФМ) и гибкость электрического управления полупроводника.В данной работе продемонстрировано электрическое управление эффективным обменнымвзаимодействием в гибридной структуре, состоящей из ферромагнитного слоя Co иполупроводниковой CdTe квантовой ямы (КЯ), разделенных тонким немагнитным CdMgTe барьером.Ранее [2] в подобных структурах был обнаружен существенно новый, дальнодействующийферромагнитный эффект близости, обусловленный эффективным p-d обменным взаимодействиеммежду тяжелыми дырками, локализованными на акцепторах в КЯ, и магнитными ионами ФМ. Обменпроисходит через испускаемые ферромагнетиком фононы, эллиптически поляризованные вблизимагнон-фононного резонанса, и является фононным аналогом динамического эффекта Штарка.Гибридные структуры Co/CdMgTe/CdTe/CdMgTe с электрическими контактами поперек слояCdTe КЯ исследованы методами стационарной и время-разрешенной спектроскопиифотолюминесценции (ФЛ), а также методом неупругого рассеяния света с переворотом спина. ФМиндуцирует спиновую поляризацию дырок на акцепторах в близлежащей КЯ (эффект близости), что,в свою очередь, приводит к циркулярной поляризации ФЛ. Показано, что степень циркулярнойполяризация ФЛ максимальна в режиме плоских зон (при напряжении + 0.5 В в пропускномнаправлении) и составляет ~2%. Приложение напряжения в запорном направлении уменьшаетвеличину эффекта (до 0.25% при −3 В). Аналогичная зависимость от напряжения наблюдается и дляамплитуды насыщения циркулярной поляризации, измеренной методом время-разрешеннойспектроскопии ФЛ. Метод неупругого рассеяния света с переворотом спина позволяетнепосредственно измерить константу эффективного p-d обменного взаимодействия [3], которая такжезависит от приложенного к структуре напряжения: она составляет 150 мкэВ вблизи нуля вольт иуменьшается до 10 мкэВ при −3 В. Показано, что величина константы обменного взаимодействияопределяется изгибом зон в области КЯ и максимальна в случае плоских зон. Таким образом,эффективное магнитное поле обменного взаимодействия ~ 2.5 Тл может включаться и выключатьсяпутем приложения напряжения ~1 В, что соответствует электрическому полю ~103 В/см. Физическиймеханизм электрического контроля связан с изменением расщепления между уровнями тяжелых илегких дырок в КЯ при изменении изгиба зон во внешнем электрическом поле. Тем самым величинарасщепления может быть подстроена по энергии магнон-фононного резонанса в ФМ, что приводит кмаксимальной связи в режиме плоских зон.