Диссертация (Динамика спиновой когерентности в полупроводниковых наноструктурах), страница 7

Marie и др. [1.30] наблюдались спиновые биения на дырочныхсостояниях в кинетике люминесценции легированных квантовых ям GaAs/AlGaAsв магнитном поле перпендикулярном оси роста структуры. Измерение биенийпозволило авторам оценить с высокой точностью поперечный g-фактор тяжелойдырки (0.04±0.01).Для квантовых точек, в которых величины зеемановских расщеплений тогоже порядка, что и в квантовых ямах, а неоднородное уширение значительнобольше, метод исследования кинетики поляризованной фотолюминесценцииявляется еще более привлекательным. В экспериментах с этими структурамизарегистрированы биения, связанные с прецессией спина свободного электрона впоперечном магнитном поле [1.31,1.32]. В. К. Калевич и др. [1.32] исследовалиоптическую ориентацию и спиновую динамику носителей в самоорганизованныхквантовыхточкахInGaAs/GaAs.Онинаблюдаликвантовыебиения,обусловленные прецессией электронного спина в поперечном магнитном поле.Было обнаружено, что оптическая ориентация электронов, может сохраняться втечение нескольких сотен пс.

По зависимости частоты биений от величинымагнитногополябылоопределенозначениепоперечнойкомпонентыэлектронного g-фактора |g⊥|=0.27±0.03.В отсутствии магнитного поля наблюдались биения между состояниямиэкситоннойтонкойструктуры,расщепленнымианизотропнымобменнымвзаимодействием [1.33], а также биения между подуровнями тонкой структурытрехзарядного возбуждения - триона [1.34]. В работе [1.33] авторы провелиисследование ФЛ одиночной квантовой точки из массива самоорганизованныхточек CdSe. Наблюдались ярко выраженные биения во временной зависимостилюминесценции.

В стационарных спектрах ФЛ были обнаружены дублеты,приписываемые авторами экситонным переходам, расщепленным анизотропнымобменнымвзаимодействием.Измереннаяспектроскопическивеличина35расщепления менялась в пределах от 40 до 450 μэВ в разных точках. Кроме того,для отдельных точек наблюдались квантовые биения, частота которыхсоответствовала расщеплению порядка 13 μэВ.Было обнаружено, что прирелаксации в излучающее состояние за счет взаимодействия с фононамиспиновые состояния экситона теряют когерентность только отчасти, а за времяжизни экситонного состояния (порядка 300 пс) когерентность практически неразрушается.1.5.2 Измерение фотоиндуцированного двулучепреломленияПомимоизмерениякинетикиполяризованнойлюминесценции,эффективными методами исследования спиновой динамики являются методы,основанные на регистрации наведенной поляризованным светом оптическойанизотропииполупроводникарегистрируетсяпоНаведенная[1.35-1.38].появлениюфотоиндуцированныханизотропиямагнито-оптическихэффектов, наблюдаемых при прохождении поляризованного света через образец(эффект Фарадея) или отражении света от его поверхности (эффект Керра).Для реализации измерений, основанных на этих эффектах, используетсяопределенная модификация стандартного импульсного pump-probe эксперимента.Поляризованным импульсом накачки создается неравновесная ориентацияспиновойсистемы.Следствиемтакойориентацииявляетсяизменениекоэффициента поглощения и показателя преломления образца для светасоответствующейплоскостиполяризации.

Эти изменения фиксируются пополяризацииполяризованномпробномиливозникновениюпучке.Меняяэллиптичностивременнуюповоротувзадержкулинейномеждунакачивающим и пробным импульсами можно проследить эволюцию спиновойориентации во времени.Использование балансной методики регистрациипробного пучка позволяет реализовать исключительно высокую чувствительностьметода к состоянию спиновой системы.36Методы, основанные на регистрации фотоиндуцированных магнитооптическихэффектоврассмотреннымвышеобладаютметодомрядомпреимуществрегистрациипокинетикисравнениюсполяризованнойлюминесценции.

Во-первых, эти методы позволяют исследовать динамикуспиновых состояний, находящихся непосредственно в резонансе с возбуждающимизлучением, тогда как для наблюдения люминесценции методически необходимаопределенная отстройка от резонанса, сопровождающаяся энергетическойрелаксацией исследуемой системы. Наличие такой релаксации может, впринципе, исказить регистрируемую динамику.Другим недостатком люминесцентных методов является то, что временнойинтервал, в котором их можно эффективно использовать, ограничен сверхувременем рекомбинации фоторожденных носителей. Источником эффектаФарадея (Керра) может быть любой ориентированный спин.

Тем самым,использование магнитооптических эффектов дает возможность изучать спиновуюдинамику не только фоторожденных носителей, но и ориентированных светомрезидентных носителей в исследуемой структуре. Естественно, что этообстоятельстворадикальнорасширяетвременнойинтервализучаемыхдинамических процессов.С помощью метода фарадеевского вращения впервые были обнаруженыочень длинные времена спиновой когерентности в объемном GaAs [1.39] и II-VIквантовых ямах [1.40].

Сегодня магнитооптические методы широко применяютсядля исследования спиновой динамики носителей в объемных кристаллах[1.41,1.42], квантовых ямах [1.43, 1.44] и квантовых точках [1.31,1.45],Реально,дляисследованияспиновойдинамикииспользуютсядваполяризационных метода накачки [1.46, 1.47]. В одном из них используетсялинейно поляризованная оптическая накачка, создающая в системе линейныедихроизмэкситонов.идвулучепреломление,Выстраиваниевызванныехарактеризуетсяоптическимобразованиемвыстраиваниемкогерентнойсуперпозиция экситонных состояний |+1〉 и |-1〉.

Для разрушения когерентностидостаточно релаксации спина одного из носителей, поэтому затухание сигнала37линейного дихроизма (и двулучепреломления) будет, в отличие от циркулярногодихроизма, определяться самым быстрым процессом релаксации спинов.Вовторомметодециркулярнополяризованнаянакачкасоздаетциркулярные дихроизм и двулучепреломление, обусловленные ориентациейспинов системы. Источниками циркулярных дихроизма и двулучепреломлениямогут быть ориентированные спины любых носителей - как фоторожденных, таки резидентных. Таким образом, наведенный циркулярный дихроизм будетсуществовать, пока существует ориентация носителей, характеризуемых самыммедленным процессом спиновой релаксации.Исследования[1.25,1.39]показали,чтопривозбужденииполупроводниковых наноструктур импульсным лазером, время жизни спиновойполяризации резидентных носителей может существенно превышать периодследованиялазерныхимпульсов.Вэтомслучаеполяризацияможетнакапливаться от импульса к импульсу и становится затруднительным оценитьвремя спиновой релаксации в стандартной схеме эксперимента по измерениюфарадеевского вращения.Для исследований времен спиновой релаксации, превышающих временнойинтервал между импульсами лазерной накачки, используется модификацияметода фарадеевского вращения - методика резонансного спинового усиления(РСУ) [1.25,1.39].

В этом случае вместо сканирования временной задержки междуимпульсами накачки и зондирования, сканируется величина магнитного поля прификсированной задержке. Пробный импульс при этом фиксируется передприходом импульса накачки, чтобы исключить вклады в спиновую поляризациюфоторожденных носителей.1.6 Краткие итогиРезультатыисследований,изложенныевдиссертационнойработе,посвящены чрезвычайно актуальной сегодня проблеме спиновой динамики внизкоразмерных наноструктурах. Спиновые явления в полупроводниковых38гетероструктурах интенсивно исследуется в последние годы, что объясняется какфундаментальным интересом к этой области знаний, так и ее потенциальнымиприкладными применениями.

Многие исследования проводятся на одиночныхквантовых точках, в которых трехмерное ограничение движения носителейзатрудняетспиновуюрелаксацию.Именнонатакихобъектахбылипродемонстрированы спиновая ориентация и управление спинами одиночныхэлектрона и дырки [1.48]. Исследование спиновых ансамблей оказалось менеепопулярным, несмотря на то, что благодаря большим величинам сигналов,измерения на таких системах занимают существенно меньше времени.

Причинаэтого в том, что спиновая динамика ансамблей характеризуется широкимразбросомпараметров,сопровождающемсябыстройпотерейсуммарнойспиновой когерентности. При этом когерентность одиночного спина можетсохраняться в течение существенного большего времени.Представленные в настоящей диссертационной работе исследованияпоказывают, что анализ экспериментов по наблюдению спиновых когерентныхэффектов в полупроводниковых наноструктурах позволяет интерпретироватьпроцессы квантовых биений и определить времена и механизмы дефазировкиспинов. Детальный анализ эффекта накопления спиновой поляризации припериодической оптической накачке для неоднородного спинового ансамбляпоказывает, что можно определять различные физические характеристикиспиновой системы, взаимодействующей со светом, с высокой точностью.Спиновая синхронизация во внешнем магнитном поле позволяет частичнопреодолетьнеоднородностьансамбляирегистрироватьнепосредственнокогерентность индивидуального спина.

Кроме этого, при определенных условияхядерный резервуар вносит конструктивный вклад в сохранение электроннойспиновой когерентности. Подбирая соответствующие условия эксперимента,можно даже реализовать прецессию практически всего спинового ансамбля наодной частоте, полностью ликвидировав обратимую дефазировку.39Глава 2 Объекты и методы исследованийВ этой главе вначале собрана информация об исследованных образцах: этонаноструктуры с квантовыми ямами или квантовыми точками, выращенныхметодом молекулярной пучковой эпитаксии на основе соединений III-V.

Затемпредставлено описание использованных в работе экспериментальных методовисследования.Взаключениеглавы,приведенотеоретическоеописание,позволившее провести моделирование этих методов.2.1 Образцы2.1.1 Квантовые точки InP/ In0.5Ga0.5PЭксперименты по исследованию кинетики поляризованной люминесценциибыли проведены на гетероструктуре, выращенной на n+ легированной подложкеGaAs (с концентрацией носителей порядка 1018 cm-3) методом молекулярнойпучковой эпитаксии.

Она содержала один слой точек InP, выращенныйпосередине толстого (300 нм) барьерного слоя In0.5Ga0.5P.Характерные размеры и плотность точек были определены с помощьюатомной силовой микроскопии на образце без верхнего барьерного слоя,выращенного в тех же самых условиях, что и исследуемый образец. Кроме того,дляисследуемого образца были получены микрофотографии отдельныхквантовых точек с помощью просвечивающего электронного микроскопа.Оказалось, что точки в среднем имеют диаметр 40 нм и высоту 5 нм. Плотностьточек ~1010 cm-2. На нижней поверхности образца (со стороны подложки) былнанесен омический контакт. На верхнюю поверхность образца был нанесенполупрозрачный электрод.