Диссертация (Динамика спиновой когерентности в полупроводниковых наноструктурах), страница 9

В то же время, в обычном монохроматоре разность ходалучей в пределах аппертуры прибора составляет единицы милиметров, чтосооответствует временному разбросу порядка 10 пс и выше. Поэтому дляполучения предельного временного разрешения был использован специальныйдвойной монохроматор с вычитанием дисперсии. В таком монохроматоре разбросдлин оптических путей автоматически компенсируется и импульс излучения нерасплывается во времени.

Достигается это тем, что в первом монохроматоре светразлагается в спектр, в результате длины различных путей становятся разными, аво втором монохроматоре спектр собирается снова в одну точку, что и приводит кполнойкомпенсациимонохроматоре.разностиШиринаходаспектралучей,приобретеннойпропусканиятакоговпервоммонохроматораопределяется шириной промежуточной щели. Использовался монохроматор слинейной дисперсией 2нм/мм, что при ширине щели ~0.5 мм давало спектральноеразрешение ~1нм, или 2.5 мэВ в исследуемой спектральной области.49Дляпроведенияисследованийвовнешнеммагнитномполебылиспользован магнитный криостат фирмы Oxford со сверхпроводящим магнитом,обеспечивающим изменение магнитного поля вплоть до 10T.Конструкциясоленоида позволяла наблюдать люминесценцию как вдоль магнитного поля, таки в поперечном направлении. Встроенный в этот криостат антикриостат позволялпроводить температурные измерения люминесценции в магнитном поле.Основные измерения проведены при T=5K.Помимо этого в установке использовалось много поляризующих элементовдля измерения поляризованной ФЛ.

Для создания линейно поляризованногоизлучения использовались призмы Глана-Томпсона, а для поворота плоскостиполяризации использовались полуволновые пластинки на заданную спектральнуюобласть.Длясозданияциркулярнойполяризациисветаиспользовалисьчетвертьволновые пластинки вместе с призмами Глана-Томпсона.Для исследования спектров стационарной люминесценции использовалсятройной монохроматор с регистрацией излучения с помощью CCD камеры.Комплексная установка управлялась несколькими компьютерами соспециализированным программным обеспечением.502.2.2 Техника измерения сигнала фарадеевского вращения с высокимвременным разрешениемСовременная экспериментальная техника использует ряд принципов,которыепозволяютреализоватьчрезвычайновысокуючувствительностьизмерения угла поворота плоскости поляризации света (вплоть до угловыхмиллисекунд)иодновременнопикосекунды).Высокаявысокоечувствительностьвременноеразрешениеобеспечивается(долииспользованиеммалошумящих источников оптического излучения, а именно твердотельныхлазеров с оптической накачкой полупроводниковыми лазерными линейками.Вторым принципиальным элементом является балансная схема регистрациисигнала, предложенная более 30-ти лет назад Е.

Б. Александровым и В. С.Запасским [2.5, 2.6] и позволяющая подавлять избыточные световые шумы.Важнуюрольиграеттакжеиспользованиемалошумящейэлектроники(усилителей) и метода синхронного детектирования сигнала.Высокое временное разрешение обеспечивается использованием лазерныхисточников света с очень короткими импульсами и модифицированного методанакачки и зондирования (pump-probe). Модификация метода заключается виспользовании циркулярно-поляризованного пучка накачки (pump) и линейногополяризованного зондирующего или пробного пучка (probe).

В этом методе,получившим название метода фарадеевского вращения (ФВ), накачивающийимпульс задает старт процессам спиновой эволюции (ориентации и релаксации), азадержанный во времени пробный импульс тестирует состояние спиновойсистемы. Наиболее привлекательным для накопления сигнала и, следовательно,повышения чувствительности метода, является использование периодическиповторяющихся импульсов, генерируемых лазерами с синхронизацией мод.Типичная блок-схема установки, в которой реализованы описанные вышепринципы,показананарисунке2.7.Источникомизлученияслужитперестраиваемый по длине волны титан-сапфировый лазер (Ti:sapphire),работающий в режиме синхронизации мод и генерирующий импульсыдлительностью tp = 1.5 пс с периодом следования Tp = 13.2 ns.

Отметим, что, с51одной стороны, длительность лазерных импульсов существенно меньше, чем всехарактерные времена процессов, рассматриваемых здесь. С другой стороны,спектральная ширина излучения еще не очень велика (~2 мэВ), что позволяетселективно возбуждать небольшой подансамбль квантовых точек.Выходящее из лазера излучение делится на два пучка в соотношении 9:1 спомощью клиновидного стеклянного делителя.

Более мощный проходящий пучок(pump) направляется на линию задержки (delay line). Подвижный ретрорефлектор(обычно используется триппель-призма), установленный на прецизионномтрансляционном столе и перемещаемый с помощью шагового двигателя,обеспечивает временную задержку импульсов pump относительно импульсовprobe, td = 2l/c, где l – длина линии задержки, аc – скорость света.Высокая точность позиционирования ретрорефлектора (единицы микрон)обеспечивает точность временной задержки в несколько десятков фемтосекунд.Импульсынакачкиобычнозадерживаютсялабиринтомизнесколькихнеподвижных зеркал таким образом, чтобы нулевая временная задержкаимпульсов накачки относительно пробных импульсов могла быть реализованаперемещением ретрорефлектора в пределах линии задержки.

Отметим высокоекачество современных зеркал, которое создает определенные удобства в свободеманипулирования лазерным пучком. В частности, интерференционные зеркалаимеют коэффициент отражения 99% и высокую стойкость к лазерномуизлучению.После линии задержки импульсы pump проходят через систему оптическиактивных пластинок. Фазовая пластинка λ/2 совместно с призмой Глана-Томсона(Glan-Tomson Prism, GTP) позволяет управлять мощностью накачивающегопучка. Фотоупругий модулятор (PhotoElastic Modulator, PEM) формируетэллиптическую поляризацию проходящего излучения, изменяющуюся между σ+ иσˉ циркулярными поляризациями с некоторой частотой fPEM (обычно 50 kHz).Такаямодуляцияиспользуетсядляреализацииметодасинхронногодетектирования сигнала. Для формирования циркулярных поляризаций ось PEM52ставится под углом 45о по отношению к плоскости линейной поляризацииизлучения, прошедшего через призму Глана-Томсона.

Далее накачивающий пучокфокусируется на образец. Линейно поляризованный пробный пучок фокусируетсяв ту же точку образца, что и накачивающий пучок.to lock-inbalancedphoto diodesbeam dumpGTPλ/2Cryostat inVoigt geometryB=0-7TT = 1.8 - 300 KopticalfiberSpectrometerdelayline, 1mPLGTPVideo cameraN2-cooled CCDλ/2PEMGTPλ/2pumpprobeVerdi V10Рис.2.7Блок-схемаустановкифарадеевского вращения.Ti:Sapphireдляизмерениянестационарногоэффекта53Система регистрации поляризации пробного пучка, прошедшего сквозьобразец, состоит из поляризационного светоделителя и балансного детектора.Светоделитель преобразует малый поворот плоскости поляризации пробногопучка, создаваемый физическим процессами в образце, в разность интенсивностей пучков, падающих на два плеча балансного детектора.

Возникающий приэтом разностный сигнал (или сигнал разбаланса фотодиодов) усиливаетсясинхронным детектором (lock-in) на частоте модуляции PEM, выпрямляется ирегистрируется в компьютере как функция временной задержки td.Система регистрации пробного пучка позволяет измерять и его эллиптичность.Для этого дополнительно используется фазовая пластинка λ/4.

Четвертьволноваяпластинка вместе с призмой Глана-Томсона позволяет выделить круговую часть вполяризации пробного пучка после прохождения гиротропного образца.Образец помещается в криостат со сверхпроводящим соленоидом. Криостатимеет 4 оптических окна, позволяющих возбуждать и регистрировать оптическийсигнал как вдоль направления магнитного поля (геометрия Фарадея), так иперпендикулярно полю (геометрия Фохта).

В качестве вспомогательногооборудования, на схеме рисунка 2.7 показан спектрометр с CCD-камерой,который используется для регистрации спектра люминесценции образца принерезонансном возбуждении.542.3 Теоретическое моделирование2.3.1 Моделирование квантовых биений в сигнале фотолюминесценцииИнтенсивностьлюминесценциипропорциональнаквадратусоответствующего матричного элемента оптического перехода:I =∝ Ψ (t ) d 02(2.1)где d - оператор дипольного момента, Ψ (t ) - волновая функция экситонногосостояния, а |0> основное состояние системы.Волновая функция Ψ (t ) определяется следующим образом. Собственныефункции спин-гамильтониана в магнитном поле произвольной ориентации (см.главу 1) являются линейной комбинацией базисных функций {φi }= (|+1>, |-1>,|+2>, |-2>):4ψ i = ∑ a ij j j .(2.2)j =1Коэффициентыразложенияaijнаходятсяпутемрешениистационарногоуравнения Шредингера с гамильтонианом, представляющем собой сумму (1.7) и(1.12).

Когерентное импульсное возбуждение создает в начальный моментвремени линейную суперпозицию состояний ψi, последующая эволюция которойописывается выражением:4Ψ (t ) = ∑ C 0i exp(−iE i t /  )ψ i(2.3)i =1Здесь С0i - не зависящие от времени коэффициенты, величина которыхопределяется начальными условиями возбуждения.В соответствии с правилами отбора для оптических переходов, σ+поляризованное излучение возбуждает каждое из собственных состояний ψi в тоймере, в которой в нем присутствует примесь базисной функции |+1>.

Величинапримешивания определяется коэффициентами ai1 (см. (2.2)). В случае σ+возбуждения для входящих в уравнение (2.3) коэффициентов выполняетсясоотношение: C0i=ai1* .55Из выражений (2.1, 2.3) и значений коэффициентов C0i получается следующеевыражение для сигнала σ+ поляризованной ФЛ (с точностью до постоянногомножителя):4I + ~ ∑ a i14+ 2∑ a i1 a k1 cos((E i − E k )t /  )2i =122(2.4)i<kПервая сумма в выражении (2.4) описывает плавную составляющую сигнала Is . Вней отсутствует зависимость от времени, поскольку использованная модель неучитываетрелаксационныевторойописываетсяпроцессы.суммойвОсциллирующаявыражении(2.4).Вчастьрамкахсигналасделанныхприближений, для σ+ поляризованного возбуждения отличными от нуля в этойсумме оказываются только коэффициенты a1,1 и a3,1 .В соответствии с этим, выражение для интенсивности биений, Ibeats , можнопривести к виду:4I beaτs =2 R ∑ a i1i<k2a k1 cos((E i − E k )τ /  )24∑ a i1exp(− τ / τ )(2.5)2i =1При выводе этой формулы использовалось выражение (2.4).

Амплитудныймножитель R введен для учета потери когерентности в процессе релаксациифоторожденной электрон-дырочной пары на излучательный уровень. Кроме того,выражение (2.5) содержит феноменологический экспоненциальный множительучитывающий затухание биений.Какпоказаланализ,использованиевыражения(2.5)позволяетудовлетворительно описать форму осциллирующего сигнала во всем диапазонеизменения напряженности и ориентации магнитного поля при постоянныхзначениях электронного и дырочного g-факторов и варьируемой величинеконстанты затухания t.562.3.2 Теоретическое описание формирования сигнала фарадеевскоговращения и эллиптичностиТеоретическое описание эффекта Фарадея в приближении сплошнойизотропной среды (т.е.

поворот плоскости поляризации линейно поляризованногосвета при прохождении гиротропной среды) можно найти, например, в книгах«Магнитооптика» [2.7] и «Электродинамика сплошных сред»[2.8]. Описаниемагнитооптического эффекта Фарадея (дихроизма и оптической анизотропии,возникающих вследствие ориентации спинов циркулярно поляризованнымсветом)дляобъемныхСоответствующаятеорияполупроводниковдлябылоданополупроводниковыхвработеквантовыхям[2.9].быларазработана авторами работ [2.10-2.12].