Автореферат (Динамика спиновой когерентности в полупроводниковых наноструктурах)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиЮГОВА Ирина АнатольевнаДИНАМИКА СПИНОВОЙ КОГЕРЕНТНОСТИ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХНАНОСТРУКТУРАХСпециальность 01.04.10 – физика полупроводниковАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукСанкт-Петербург2016Работа выполнена в Санкт- Петербургском государственном университете.Официальные оппоненты:Кулаковский Владимир Дмитриевич,доктор физико-математических наук,член – корреспондент РАН, профессор,Институт физики твердого тела РАН,заместитель директора по научной работе.Кусраев Юрий Георгиевич,доктор физико-математических наук,старший научный сотрудник,Физико-технический институтим.

А.Ф. Иоффе РАН,руководитель отделения физики твердого тела.Шамирзаев Тимур Сезгирович,доктор физико-математических наук, доцент,Институт физики полупроводниковим. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН,ведущий научный сотрудник.Ведущая организация:Санкт-Петербургскийуниверситет Петра ВеликогополитехническийЗащита состоится ““2016 г. вна заседании советаД 212.232.33 по защите докторских и кандидатских диссертаций при СанктПетербургском государственном университете по адресу: 198504, СанктПетербург, ул. Ульяновская, д.

1, физический факультет СПбГУ, малыйконференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. ГорькогоСПбГУ и на сайте Санкт-Петербургского государственного университетаwww.spbu.ru.Автореферат разослан «_____»_____________2016 г.Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьбавысылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационногосовета.Ученый секретарь диссертационного совета,кандидат физ.-мат.наук, доцент,/А.

М. Поляничко/3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.Ориентация электронного спина в полупроводниковых наноструктурахактивно обсуждается в последнее время как перспективный способ реализацииквантовых вычислений. Cпин, помещенный в магнитное поле, представляет собойдвухуровневуюсистему,которуюможнорассматриватькакквантовуюлогическую ячейку. Носителем информации в такой ячейке является фазаволновойфункции,характеризующаяпроекциюспинананаправлениенаблюдения, параллельное направлению магнитного поля.

Спиновая система,пригодная для квантовых вычислений, должна обладать малой скоростью фазовойрелаксации. С этой точки зрения актуальным является вопрос о времени жизни имеханизмах разрушения спиновой когерентности в реальных системах.В связи с этим резко возрос интерес к возможностям манипулированияспином в полупроводниковых наноструктурах на основе соединений А3В5 иА2В6.Такиеструктурывыращиваютсяметодамимолекулярно-пучковойэпитаксии и характеризуются высоким кристаллическим совершенством. Ониочень удобны для научного исследования и практических приложений, посколькуспектр их оптических переходов лежит в области излучения современныхимпульсныхлазеровичувствительныхфотоприемников.Этопозволяетиспользовать для экспериментального исследования спиновой когерентностиметоды,характеризующиесярекорднымипараметрамиповременномуразрешению и чувствительности.Многие исследования проводятся на квантовых точках, в которыхтрехмерное ограничение движения носителей затрудняет спиновую релаксацию.Чаще всего исследуются одиночные квантовые точки, в спектре которых можнонепосредственно наблюдать зеемановское расщепление.

Исследование спиновыхансамблей оказалось менее популярным, несмотря на то, что благодаря большимвеличинам сигналов, измерения на таких системах занимают существенно меньшевремени. Причина этого в том, что спиновая динамика ансамблей характеризуется4широкимразбросомпараметров,сопровождающимсябыстройпотерейсуммарной спиновой когерентности (спиновой дефазировкой). При этомкогерентность одиночного спина может сохраняться в течение существенногобольшего времени.Приэтомименноспиновыеансамбли,характеризуемыехорошодоступными для измерений макроскопическими параметрами, представляютсянаиболее привлекательными для реальных приложений.

Поэтому важной задачейявляется выбор перспективных систем со спиновыми ансамблями и разработкаметодов исследования и оптического управления такими ансамблями. Настоящаяработа посвящена таким исследованиям. В диссертации описан эффектсинхронизации спиновой прецессии носителей во внешнем магнитном поле,которыйпозволяетчастичнопреодолетьнеоднородностьансамбляирегистрировать непосредственно когерентную эволюцию индивидуального спина.Показано, что дополнительный конструктивный вклад в сохранение электроннойспиновой когерентности может вносить ядерный спиновый резервуар. Подбираясоответствующие условия эксперимента, можно даже реализовать прецессиюпрактическивсегоспиновогоансамблянаоднойчастоте,полностьюликвидировав спиновую дефазировку.Все вышеизложенное определяет актуальность темы диссертации.Цели работы:Развитиетеоретическихиэкспериментальныхметодовисследованиянеоднородных спиновых ансамблей и получение новых данных о спиновойкогерентности в полупроводниковых наноструктурах.5Научная новизна результатов работы:Все представленные в диссертации результаты являются новыми.Важнейшими из них являются следующие:1.

Получена универсальная зависимость g-фактора электрона от энергииоптического перехода для наноструктур с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs.2. Построенамодельформированиясигналарезонансногоспиновогоусиления, позволяющая из сопоставления с экспериментом с высокойточностью определять физические характеристики спиновой системы.3. Обнаружен и исследован эффект синхронизации мод спиновой прецессииэлектронов и дырок в заряженных квантовых точках.4. Обнаруженипроанализированэффектрезонанснойподстройкикогерентной прецессии ядер в этом режиме.Практическая ценность работы.Практическая значимость заключается в том, что полученные в настоящейработе характеристики процессов, определяющих спиновую динамику вполупроводниках, указывают на реальную возможность использования спиновносителей в полупроводниковых наноструктурах как элементов хранения иобработки информации.

С этой точки зрения исключительно важным являетсяобнаруженный в работе эффект радикального увеличения времени (вплоть дотрех-четырех порядков) спиновой памяти в таких системах. Разработанныетеоретические методы пригодны для анализа спиновой динамики носителей иоптических возбуждений в широком классе полупроводниковых наноструктур.Полученные новые знания могут быть включены в курсы лекций для студентовуниверситетов.Основные положения, выносимые на защиту:1.Анализ квантовых биений в оптическом отклике полупроводниковыхнаноструктур с квантовыми ямами и квантовыми точками дает полный6наборхарактеристикспиновыхсостоянийиспиновойдинамикиисследуемых систем.2.Значения электронного g-фактора в GaAs/AlGaAs квантовых ямахразличной толщины определяются универсальной зависимостью от ширинызапрещенной зоны.3.Деполяризация фотолюминесценции и затухание биений в структурах сквантовыми точками обусловлены обратимой фазовой релаксацией,вызванной разбросом значений зеемановского и обменного расщепления вансамбле спинов.4.Эффект резонансного спинового усиления является чувствительныминструментом для определения механизмов генерации и релаксациидолгоживущей спиновой поляризации носителей в полупроводниковыхнаноструктурах.5.Возбуждениесущественнолокализованныхносителейнеоднородногопериодическиспиновогоследующимиансамблялазернымиимпульсами приводит к синхронизации мод спиновой прецессии.6.Эффект синхронизации мод спиновой прецессии является альтернативнымэффекту резонансного спинового усиления.7.Фазовая синхронизация спинов в неоднородно уширенном ансамблеквантовыхточекпозволяетвпредельномслучаесформироватьодномодовую спиновую динамику ансамбля.8.Эффектядернойфокусировки,сопровождающийсинхронизациюэлектронной спиновой прецессии в квантовых точках, способствуетреализации долговременной спиновой ориентации электронов.Апробация.

Результаты работы прошли апробацию на всероссийских имеждународных научных конференциях, в том числе докладывались на9,10,13,14,17 и 18 Международных симпозиумах «Nanostructures: Physics andTechnology» (St. Petersburg, Russia) в 2001 г., 2002 г. , 2005 г. , 2006 г.

, 2009 г. и2010 г., на международной конференции «Optics and Excitons in Confined Systems»7(Montpellier, France, September 4-7, 2001), на V, VII и XII РоссийскихКонференциях по Физике Полупроводников (Нижний Новгород, 10-14 сентября,2001 г.; Москва, 18-23 сентября 2005 г.; Москва, 21-25 сентября 2015 г.), намеждународной конференции «14 th Indium Phosphide and Related MaterialsConference» (Stockholm, Sweden, May 12-16, 2002), на конференции (школесеминаре) по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга иСеверо-Запада (Санкт-Петербург, 29—30октября 2009 года), на международной конференции «7th International Conferenceon Quantum Dots» (Santa Fe, New Mexico, USA, May 13-18th, 2012).

РезультатыисследованийтакжеГосударственногообсуждалисьУниверситета,наФТИсеминарахим.А.Ф.Санкт-ПетербургскогоИоффе,ТехническогоУниверситета Дортмунда (Германия).Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 30 научныхстатьях в рецензируемых международных научных изданиях и одном учебномпособии.Личный вклад автора состоял в выборе направлений исследований ииспользуемых экспериментальных и теоретических методов, личном проведениичастипредставленныхвдиссертацииэкспериментов,вчастности,всистематических исследованиях тонкой структуры и спиновой динамики вквантовых ямах InGaAs/GaAs, GaAs/AlGaAs и квантовых точках InGaAs/GaAs.Теоретический анализ и систематизация приведенных в диссертации результатов,разработка теоретических моделей для их описания, проведение численных ианалитических расчетов выполнены лично автором.Структура и объем диссертации.