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Comptes Rendus Physique
Volume 9, n° 8
pages 857-873 (octobre 2008)
Doi : 10.1016/j.crhy.2008.10.007
Optical and electronic properties of quantum dots with magnetic impurities
Propriétes optiques et électroniques des boîtes quantiques dopées avec des impuretés magnétiques

Alexander O. Govorov
Department of Physics and Astronomy, Ohio University, Athens, OH 45701, USA 


The article discusses some of the recent results on semiconductor quantum dots with magnetic impurities. A single Mn impurity incorporated in a quantum dot strongly changes the optical response of a quantum-dot system. A character of Mn-carrier interaction is very different for II-VI and III-V quantum dots (QDs). In the II-VI QDs, a Mn impurity influences mostly the spin-structure of an exciton. In the III-V dots, a spatial localization of hole by a Mn impurity can be very important, and ultimately yields a totally different spin structure. A Mn-doped QD with a variable number of mobile carriers represents an artificial magnetic atom. Due to the Mn-carrier interaction, the order of filling of electronic shells in the magnetic QDs can be very different to the case of the real atoms. The “periodic” table of the artificial magnetic atoms can be realized in voltage-tunable transistor structures. For the electron numbers corresponding to the regime of Hund’s rule, the magnetic Mn-carrier coupling is especially strong and the magnetic-polaron states are very robust. Magnetic QD molecules are also very different to the real molecules. QD molecules can demonstrate spontaneous breaking of symmetry and phase transitions. Single QDs and QD molecules can be viewed as voltage-tunable nanoscale memory cells where information is stored in the form of robust magnetic-polaron states. To cite this article: A.O. Govorov, C. R. Physique 9 (2008).

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Cet article traite des études récentes menées sur les boîtes quantiques dopées magnétiquement. Une impureté magnétique (comme le manganèse, Mn) incorporée dans une boîte quantique modifie radicalement la réponse optique de la nanostructure. Le caractère de l’interaction entre le Mn et les porteurs est très différent selon le matériau étudié : semiconducteurs II-VI ou III-V. Dans les boîtes quantiques à base de semiconducteurs II-VI, une impureté Mn influence uniquement la structure de spin d’un exciton. Dans les III-V, au contraire, la localisation spatiale d’un trou par l’impureté Mn peut jouer un rôle décisif sur la structure de spin des excitons confinés. Une boîte quantique dopée magnétiquement, contenant un nombre variable de porteurs représente un atome magnétique artificiel. Du fait de l’interaction porteurs-Mn, l’ordre de remplissage des couches électroniques dans la boîte quantique magnétique peut être très différent du cas des atomes réels. Les différentes espèces du « tableau périodique » des atomes magnétiques artificiels peuvent être réalisées par le biais de transistors contenant des boîtes quantiques magnétiques. Pour un nombre d’électrons confinés satisfaisant à la règle de Hund, le couplage magnétique entre les porteurs et les impuretés est particulièrement fort et les états de polarons magnétiques ainsi créés, particulièrement robustes. Les molécules de boîtes quantiques magnétiques sont également très différentes des molécules réelles. Elles présentent des effets de brisure de symétrie spontanée et des transitions de phase. Les boîtes quantiques magnétiques individuelles ainsi que les molécules formées par ces boîtes pourraient servir de nano-mémoires dans lesquelles l’information serait stockée sous la forme de polarons magnétiques robustes. Pour citer cet article : A.O. Govorov, C. R. Physique 9 (2008).

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Keywords : Quantum dot, Impurity, Exciton, Optical properties, Magnetic polaron

Mots-clés : Boîte quantique, Impureté, Exciton, Propriétés optiques, Polaron magnétique

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