Диссертация (Динамика спиновой когерентности в полупроводниковых наноструктурах)

Санкт-Петербургский Государственный УниверситетНа правах рукописиУДК 538.958ЮговаИрина АнатольевнаДИНАМИКА СПИНОВОЙ КОГЕРЕНТНОСТИ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХНАНОСТРУКТУРАХСпециальность: 01.04.10 – физика полупроводниковДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степенидоктора физико-математических наукСанкт-Петербург20162ОглавлениеВведение .......................................................................................................................... 41 Спиновая динамика полупроводников и методы ее исследования ............... 131.1 Спиновые состояния в полупроводниковых наноструктурах ........................

131.2 Формирование тонкой структуры экситонных состояний, спингамильтониан ............................................................................................................. 141.3 Динамика спиновых состояний ......................................................................... 201.3.1 Квантовые биения .......................................................................................... 201.3.2 Спиновая релаксация .................................................................................... 211.4 Оптические методы исследования спиновых состояний полупроводника ..

241.4.1 Спектроскопическое измерение расщепления уровней тонкой структурыв магнитном поле ................................................................................................... 251.4.2 Оптически детектируемый магнитный резонанс (ОДМР) ........................ 261.4.3 Спектроскопия пересечения уровней ......................................................... 271.4.4 Измерение эффекта Ханле ........................................................................... 281.5 Исследование состояний тонкой структуры и спиновой динамики вполупроводниковых наноструктурах с помощью метода квантовых биений.....

311.5.1 Измерение кинетики поляризованной люминесценции в реальномвремени ................................................................................................................... 321.5.2 Измерение фотоиндуцированного двулучепреломления .........................

351.6 Краткие итоги ..................................................................................................... 372 Объекты и методы исследований ......................................................................... 392.1 Образцы ................................................................................................................. 392.1.1 Квантовые точки InP/ In0.5Ga0.5P .................................................................. 392.1.2 Квантовые ямы GaAs/ AlGaAs ....................................................................

422.1.3 Квантовые ямы In0.09Ga0.91As/ GaAs ............................................................ 432.1.4 Квантовые точки InAs/ GaAs ....................................................................... 442.2 Экспериментальные установки и методы исследования ................................ 472.2.1 Измерение поляризованной фотолюминесценции ....................................

472.2.2 Техника измерения сигнала фарадеевского вращения с высокимвременным разрешением ....................................................................................... 502.3 Теоретическое моделирование .......................................................................... 542.3.1 Моделирование квантовых биений в сигнале фотолюминесценции ......

5432.3.2 Теоретическое описание формирования сигнала Фарадеевскоговращения и эллиптичности ................................................................................... 562.4 Краткие итоги ...................................................................................................... 663 Спиновые расщепления и тонкая структура экситонных состояний,исследованные методом квантовых биений ..........................................................

673.1 Тонкая структура экситонных состояний в квантовых точках ..................... 673.1.1 Обменное взаимодействие спинов электрона и дырки в незаряженныхквантовых точках, биения в нулевом магнитном поле ...................................... 683.1.2 Взаимодействие спинов электрона и дырки с магнитным полем, биения впродольном поле (геометрия Фарадея) ............................................................... 703.1.3 Спиновая динамика в поперечном магнитном поле (геометрия Фохта) . 743.1.4 Спиновая динамика в наклонном магнитном поле ...................................

793.2 Электронный g-фактор в квантовых ямах GaAs .............................................. 873.3 Краткие итоги ...................................................................................................... 964 Долгоживущая спиновая динамика в полупроводниковых квантовых ямахи квантовых точках, содержащих избыточные заряды. Резонансноеспиновое усиление ...................................................................................................... 984.1 Введение ................................................................................................................

984.2 Создание спиновой когерентности ................................................................... 994.2.1 Резонансное возбуждение триона: классический и квантовомеханический подходы в описании генерации спиновой когерентностиносителей ..............................................................................................................

1014.2.2 Генерация долгоживущей спиновой когерентности за время жизнитриона. Спиновая динамика носителей в магнитном поле ............................. 105А) Спиновая динамика резидентного носителя и триона ............................ 105В) Влияние спиновой релаксации триона на долгоживущую спиновуюполяризацию резидентного носителя ................................................................ 107С) Спиновая прецессия резидентного носителя ...........................................

108D) Влияние спиновой прецессии в трионе на спиновую динамикурезидентных носителей ....................................................................................... 1104.2.3 Спиновая поляризации после действия последовательности импульсов.................................................................................................................................

1124.3 Резонансное спиновое усиление ...................................................................... 1164.3.1 Быстрая спиновая релаксация в трионе .................................................... 11944.3.2 Медленная спиновая релаксация в трионе: влияние трионной спиновойдинамики ............................................................................................................... 1204.3.3 Эффект анизотропии спиновой релаксации ............................................ 1224.3.4 Обратимая и необратимая спиновая релаксация ..................................... 124А) Разброс g-факторов .....................................................................................

126В) Ядерные спиновые флуктуации и резонансное спиновое усиление вслабом магнитном поле ....................................................................................... 1284.3.5 Краткие итоги .............................................................................................. 1335 Эффект синхронизации мод спиновой прецессии носителей и переходмежду режимами накопления долгоживущей спиновой поляризации ........ 1355.1 Синхронизация мод спиновой прецессии носителей .................................... 1355.2 Резонансное спиновое усиление или синхронизация мод ............................ 1405.3 Эффект ядерной спиновой фокусировки ........................................................

1505.4 Краткие итоги .................................................................................................... 157Заключение ................................................................................................................. 159Список литературы................................................................................................... 1665ВведениеОриентация электронного спина в полупроводниках активно обсуждается впоследнее время как перспективный способ реализации квантовых вычислений.Cпин, помещенный в магнитное поле, представляет собой двухуровневуюсистему, которую можно рассматривать как квантовую логическую ячейку.Носителем информации в такой ячейке является фаза волновой функции,характеризующая проекцию спина на направление наблюдения, параллельноенаправлению магнитного поля. Спиновая система, пригодная для квантовыхвычислений, должна обладать малой скоростью фазовой релаксации.