Диссертация (Динамика спиновой когерентности в полупроводниковых наноструктурах), страница 2

С этой точкизрения актуальным является вопрос о времени жизни и механизмах разрушенияспиновой когерентности в реальных системах.В связи с этим резко возрос интерес к возможностям манипулированияспином в полупроводниковых гетероструктурах 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.Все вышеизложенное определяет актуальность темы диссертации.Цель работы: теоретическое и экспериментальное исследование спиновойкогерентности в полупроводниковых наноструктурах.Научная новизна и практическая значимостьВсе представленные результаты являются новыми.

Следует отметитьследующие важнейшие полученные результаты:61)Изанализаквантовыхфотолюминесценцииибиенийвфарадеевскогосигналахполяризованнойвращенияустановленаэнергетическая структура спиновых состояний и определены механизмырелаксациии в гетероструктурах с неоднородно уширенными ансамблямсамоорганизованных квантовых точек InP/InGaP и InAs/GaAs;2) Для гетероструктур с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs полученауниверсальная зависимость g-фактора электрона от энергии оптическогоперехода;3) Детальный анализ эффекта накопления спиновой поляризации припериодической оптической накачке для неоднородного спиновогоансамбля показал, что можно определять различные физическиехарактеристики спиновой системы, взаимодействующей со светом, свысокой точностью;4) Обнаружен и исследован эффект синхронизации мод спиновой прецессииэлектронов и дырок в заряженных квантовых точках;5)Обнаруженипроанализированэффектрезонанснойподстройкикогерентной прецессии ядер в этом режиме.Практическая значимость заключается в том, что полученные в настоящейработеданныеопроцессах,определяющихспиновуюдинамикувполупроводниках, 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.7Основные положения, выносимые на защиту:1.Анализ квантовых биений в оптическом отклике полупроводниковыхнаноструктур с квантовыми ямами и квантовыми точками дает полныйнаборхарактеристикспиновыхсостоянийиспиновойдинамикиисследуемых систем.2.Значенияэлектронногоg-фактора в GaAs/AlGaAs квантовыхямахразличной толщины определяются универсальной зависимостью от ширинызапрещенной зоны.3.Деполяризация фотолюминесценции и затухания биений в структурах сквантовымиточкамиобусловленаобратимойфазовойрелаксацией,вызванной разбросом значений зеемановского и обменного расщепления вансамбле спинов.4.Эффект резонансного спинового усиления является чувствительныминструментомдля определения механизмов генерации и релаксациидолгоживущей спиновой поляризации носителей в полупроводниковыхнаноструктурах.5.Возбуждениесущественнолокализованныхносителейнеоднородногопериодическиспиновогоансамбляследующимилазернымиимпульсами 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.8Апробация работы.Результатыработыпрошлиапробациюнавсероссийскихимеждународных 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.и 2010 г., на международной конференции «Optics and Excitons in ConfinedSystems» (Montpellier, France, September 4-7, 2001), на V, VII и XIIРоссийских Конференциях по Физике Полупроводников (Нижний Новгород,10-14 сентября, 2001 г.; Москва, 18-23 сентября 2005 г.; Москва, 21-25сентября 2015 г.), на международной конференции «14 th Indium Phosphideand Related Materials Conference» (Stockholm, Sweden, May 12-16, 2002), наконференции (школе-семинаре) по физике и астрономии для молодыхученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада (Санкт-Петербург, 29—30октября 2009 года), на международной конференции «7th InternationalConference on Quantum Dots» (Santa Fe, New Mexico, USA, May 13-18th,2012).

Результаты исследований также обсуждались на семинарах СанктПетербургского Государственного Университета, ФТИ им. А.Ф. Иоффе,Технического Университета Дортмунда (Германия).Основное содержание диссертации опубликовано в 30 научных статьях врецензируемых международных научных изданиях.Структура и объем диссертации.Диссертация включает в себя Введение, 5 глав и Заключение, изложенныена 178 страницах, список литературы из 131 наименований, 49 рисунков и 1таблицу.Краткое содержание работы.Перваяглавапредставляетсобойобзорстатей,посвященныхтеоретическому и экспериментальному исследованию тонкой структуры испиновой динамики электронов и дырок в полупроводниковых соединения типаA3B5. Описаны способы формирования тонкой структуры электрон-дырочной9пары под влиянием пространственных ограничений, обменного взаимодействия ивнешних полей.

Описаны основные методы изучения тонкой структуры испиновой динамики экситонов, трионов и носителей в полупроводниках. Имиявляются поляризационные оптические методы, которые основаны на том, чтопереходам в состояния с определенной ориентацией спинов соответствуетопределеннаяполяризацияизлучения.Сделанвыводопреимуществеиспользования метода квантовых биений для экспериментального определенияпараметров тонкой структуры, поскольку этот метод позволяет определитьвеличины расщеплений даже на фоне сильного неоднородного уширения линий.Рассмотрены преимущества метода квантовых биений в сигнале фарадеевскоговращения и эллиптичности для исследования долгоживущей спиновой динамикирезидентных носителей.Во второй главе приведены характеристики гетероструктур с квантовымиямами InGaAs/GaAs, GaAs/AlGaAs и с самоорганизованнымиквантовымиточками InP/InGaP, InAs/GaAs, исследованных в данной работе, и описаныосновные экспериментальные и теоретические методы, использованные дляизучения спиновой динамики в реальном времени.

Основными методамиисследованийявлялись:изучениеспектровикинетикиполяризованнойлюминесценции квантовых точек при квазирезонансном возбуждении и изучениефотоиндуцированногомагнито-оптическогоэффектаФарадея(Керра)вимпульсных экспериментах «накачка-зондирование».Также во второй главе, приведено теоретическое описание, позволившеепровести моделирование использованных в работе экспериментальных методовисследования.Описанрасчетсоответствующегоматричногоэлементаэкситонного оптического перехода для моделирования квантовых биений всигнале фотолюминесценции. Приведено теоретическое описание формированиясигнала фарадеевского вращения и эллиптичности на примере действия короткогополяризованного импульса света на заряженные квантовые точки. Длятеоретическогораспространениерасчетаиспользовалсяэлектромагнитногоизлученияполуклассическийописывалосьподход:уравнениями10Максвелла, а поляризация, возникающая в среде под действием света,рассматривалась квантово-механически.

Приведен расчет временной эволюцииматрицы плотности спиновой системы, основное состояние которой формируетсяспином резидентного носителя, а возбужденное - спином триона. Изменениядиагональных элементов матрицы плотности в момент действия пучка накачки ипослеегопрохожденияопределяюттрансформациюэкспериментальноизмеряемых поляризационных характеристик пробного пучка.В третьей главе представлены результаты исследования, направленного наопределение энергетических параметров тонкой структуры электрон-дырочнойпары в квантовых точках InP и InAs и систематическое исследованиеэлектронного g-фактора в квантовых ямах GaAs/AlGaAs. Приводятся результатыэкспериментальных исследований кинетики поляризованной фотолюминесценциии фарадеевского вращения.