Optically induced magnetization in magnetic semiconductors

Nesta tese, analisamos dois sistemas de semicondutores magnéticos: um semicondutor magnético cristalino de EuTe e uma heteroestrutura formada por um poço quântico de GaAs/AlGaAs ao lado uma barreira tipo delta de Mn, que, ao difundir-se, forma o semicondutor magnético diluído de (Ga,Mn)As. Nossos estudos foram focados na possibilidade de manipularmos oticamente a orientação magnética de ambos os sistemas. No semicondutor magnético de EuTe, a indução de magnetização se dá pela formação de polarons magnéticos ao redor de elétrons fotoexcitados. Para o estudo dos polarons, um modelo teórico elaborado foi adaptado para a construção de um sistema computacional baseado no método de Monte Carlo. Essa sistema permitiu o cálculo do momento magnético e do raio do polaron em temperaturas finitas, muito acima da temperatura de Néel. O modelo foi elaborado para reproduzir tanto as propriedades do EuTe sem o polaron (temperatura de Néel e campo crítico), quanto o deslocamento da linha de fotoluminescência devido a formação do polaron. Além do desenvolvimento do próprio método computacional, que pode ser utilizado para estudar outros sistemas, o conhecimento adquirido com o estudo do EuTe serviu como base para o estudo de um sistema mais complexo, que é a heteroestrutura de GaAs/AlGaAs + dMn. O estudo da heteroestrutura de GaAs/AlGaAs + dMn foi feito em cima de medidas experimentais de rotação de Kerr com resolução temporal. O sistema de medição construído permite, também, medidas de rotação de Kerr com resolução espacial, que servem para o estudo de transporte e hélice de spin em semicondutores, e está detalhadamente descrito em um dos capítulo desta tese. Na amostra estudada, o controle da magnetização dos íons de Mn é feito através da interação de troca com o elétron fotoexcitado no poço quântico. Os resultados obtidos das medidas de rotação de Kerr mostram uma frequência de precessão dependente do tempo, que revela a existência de dois processos com dinâmicas diferentes: uma primeira orientação do spin dos íons de Mn devido à polarização do par elétron-buraco no poço quântico, seguida por um realinhamento desses spins com o campo magnético externo, a partir do momento em que a coerência dos spins dos buracos desaparece. Esse resultado sugere que a interação entre os elétrons fotoexcitados e os íons de Mn ocorre por intermédio dos buracos fotoexcitados, ao contrário do que havia sido proposto em estudos anteriores de estruturas similares, mas de acordo com o modelo de interação sp-d, utilizado para explicar o ferromagnetismo do (Ga,Mn)As.In this thesis we analyzed two magnetic semiconductor systems: one intrinsic magnetic semiconductor crystal of EuTe and one GaAs-based heterostructure with a GaAs/AlGaAs quantum well close to delta-type Mn barrier, that forms a diluted magnetic semiconductor of (Ga,Mn)As after diffusion. Our studies on both systems were focused on the possibility of optical manipulation of magnetic order. In EuTe pure semiconductor, the magnetization control occurs due to de formation od magnetic polarons around photo-excited electrons. To study magnetic polarons we adapted a theoretical model to build a computer simulation system based on Monte Carlo\'s method. This system allowed us to calculate the magnetic moment and radius of the polaron at finite temperatures fair above Néel Temperature. The computational model was tested to reproduce EuTe properties without polarons (Néel Temperature and critical magnetic field) and with polarons (photoluminescence line shift). Beside the development of this computational model, that can be used to study other systems, the knowledge acquired during the studies on EuTe helped us to better understand the more complex system of the GaAs/AlGaAs +dMn heterostructure. The studies about the GaAs/AlGaAs + dMn heterostructure were based on experimental measurements of time-resolved Kerr rotation. The measurement system we built also allows us to perform spatial-resolved Kerr rotation measurements to study spin transport and spin helix on semiconductors and it is described in details in one chapter of this thesis. The optical manipulation of Mn ions magnetization on the studied sample is consequence of the exchange interaction with the photoexcited electron inside the quantum well. The results of Kerr rotation measurements show a time-dependent precession frequency that reveals the existence of two process with distinct dynamics: the initial orientation of Mn ions spins with the photoexcited electron-hole pair, followed by the realignment of these spins with the external magnetic field, as soon as the photoexcited hole spins loose its coherence. These results indicate that the exchange interaction between the photoexcited electron inside the quantum well and the Mn ions is mediated by the photoexcited holes, in opposition of what was being proposed in previous studies of similar structures, but in agreement with the sp-d model, used to explain the (Ga,Mn)As ferromagnetism