Автореферат (Спектроскопия спиновых шумов полупроводниковых наноструктур)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования«Санкт-Петербургский государственный университет»На правах рукописиРыжов Иван ИгоревичСпектроскопия спиновых шумовполупроводниковых наноструктурСпециальность 01.04.07 —«Физика конденсированного состояния»Авторефератдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург — 2016Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.Научный руководитель:Запасский Валерий Сергеевич,д-р физ.-мат.

наук, ст. науч. сотр., вед. науч. сотр.лаборатории оптики спина им. И. Н. УральцеваСанкт-Петербургского государственного университета, г. Санкт-ПетербургОфициальные оппоненты: Баранов Александр Васильевич,д-р физ.-мат. наук, проф., проф. кафедры оптической физики и современного естествознания, заведующий лабораторией «Оптика квантовых наноструктур» Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, г.

Санкт-ПетербургТрошин Александр Сергеевич,д-р физ.-мат. наук, доц., проф. физического факультета Российского государственного педагогическогоуниверситета им. А. И. Герцена, г. Санкт-ПетербургВедущая организация:Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, г. Санкт-ПетербургЗащита диссертации состоится « »20 г. вчасов на заседании диссертационного совета Д 212.232.33 по защите диссертаций на соисканиеучёной степени кандидата наук, на соискание учёной степени доктора наук приСанкт-Петербургском государственном университете по адресу: 198504, г. СанктПетербург, Старый Петергоф, ул. Ульяновская, д. 1, малый конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: 199034, СанктПетербург, Университетская наб., д.7/9.

Диссертация и автореферат размещены насайте www.spbu.ru.Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по адресу: 198504, г. Санкт-Петербург, ул. Ульяновская, д. 1,на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.232.33 Поляничко А. М.Автореферат диссертации разослан « »20г.Ученый секретарьдиссертационного советаД 212.232.33, канд.

физ.-мат. наук, доц.Поляничко А. М.3Общая характеристика работыАктуальность темы. Настоящая работа посвящена исследованию полупроводниковых структур на основе арсенида галлия методом спектроскопии спиновых шумов. Полупроводниковые структуры в настоящее время играют важнейшую роль не только в узкоспециализированных приборах, но и в быту: на базеполупроводников реализованы интегральные схемы, устройства хранения информации, светодиоды, лазеры и множество других устройств, в том числе — подавляющее большинство вычислительных машин. В последнее время для решенияпроблемы быстродействия полупроводниковых вычислительных машин, основанных на зарядовой логике, предлагаются разнообразные подходы, связанные с переводом логической базы на иные физические принципы.

В частности, рассматриваются варианты реализации вычислительных процессов, основанные на нелинейных оптических явлениях или на плазмонных взаимодействиях в низкоразмерных структурах [1], а также на управлении спиновыми состояниями носителей [2].Всестороннее исследование свойств таких структур, без которого невозможно понимание физики происходящих в ней процессов и управление ими, представляетсобой важную экспериментальную и теоретическую задачу современной физики,на решение которой направлены многие оптические, электрические, магнитныеметоды исследований, в том числе и спектроскопические.

В работе был использован новый, стремительно развивающийся метод экспериментальных исследований парамагнитных сред — спектроскопия спиновых шумов (ССШ). Среди достоинств этой техники зачастую выделяют такие её свойства, как невозмущающийхарактер исследований; характерную обычно для нелинейной оптики эффективную зависимость сигнала от плотности мощности светового пучка (при сохранении линейности отклика); информативность получаемых сигналов в отсутствиемагнитного расщепления; нередко — экспериментальную простоту и некоторыедругие [3].

Несмотря на значительный рост количества работ, выполненных припомощи ССШ, на данный момент многие свойства и особенности этой техникиостаются нераскрытыми. Таким образом, актуальность данной работы обусловлена как высоким интересом к объектам исследования — полупроводниковым низкоразмерным структурам, так и необходимостью разработки и развития новогометода магнитооптических исследований.Целью данной работы является изучение принципиальных особенностейметода спектроскопии спиновых шумов и реализация его возможностей для ис-4следования оптических и магнитных свойств полупроводниковых структур на основе GaAs: объёмных слоёв -легированного GaAs и одиночной квантовой ямыGaAs/AlGaAs в брэгговском микрорезонаторе.Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующиезадачи:1.

Создать оптико-электронную установку, оборудованную источником когерентного излучения с перестраиваемой длиной волны, криостатом замкнутого цикла и регистрирующей схемой, позволяющей анализировать спектрышумов фарадеевского вращения и их зависимость от различных параметров системы, таких как температура образца, мощность зондирующего света,длина волны и др.2. Обнаружить шумовой поляриметрический отклик полупроводниковойструктуры и оптимизировать условия его наблюдения.3. Провести серию экспериментальных исследований методом спектроскопииспиновых шумов на нескольких образцах, в том числе:(а) исследовать спектры шумов фарадеевского вращения объёмных образцов -легированного GaAs в зависимости от плотности мощности и длины волны зондирующего света;(б) исследовать спектры шумов керровского вращения и эллиптичности иоптические спектры спиновых шумов микрорезонатора, содержащегоквантовую яму, в зависимости от температуры, приложенного магнитного поля, интенсивности зондирующего излучения и положения фотонной моды относительно материальных резонансов среды;(в) исследовать спектры шумов керровского вращения объёмных слоёв легированного GaAs в микрорезонаторе в зависимости от интенсивности, степени и знака эллиптичности зондирующего света и знака внешнего продольного магнитного поля, а также спектральный поляриметрический отклик на приложенное переменное магнитное поле.4.

Оценить эффективность использования различных схем регистрации в условиях высокой поляризационной экстинкции при различных плотностях мощности зондирующего света.5. Проанализировать и интерпретировать полученные результаты в рамках моделей, учитывающих:5(а) фазовые свойства отражения света от асимметричного микрорезонатора с резонансно поглощающим промежутком;(б) усиление поляриметрического сигнала при приближении к порогу автоколебаний в оптически нелинейном неустойчивом резонаторе;(в) динамический эффект Штарка, возникающий в среде, облучаемой эллиптически поляризованным светом высокой плотности мощности в области прозрачности среды;(г) оптическую поляризацию ядерной спиновой системы образца и процессеё релаксации, влияющий через поле Оверхаузера на прецессию флуктуаций электронной намагниченности.Основные положения, выносимые на защиту:1.

Чувствительность метода спектроскопии спиновых шумов и доступный длярегистрации сигнала диапазон длин волн могут быть значительно увеличены за счёт использования геометрии высокой поляризационной экстинкции.Чувствительность резко возрастает при помещении исследуемой структурыв микрорезонатор. В частности, применение последнего подхода позволяет осуществлять регистрацию спектра спиновых шумов в низкоразмерныхструктурах, что продемонстрировано на примере шумовой спектроскопииодиночной квантовой ямы.2. Асимметричный резонатор с поглощающим промежутком благодаря нетривиальному поведению фазы отражённого от него света характеризуется резким изменением поляриметрической чувствительности к флуктуациям гиротропии межзеркальной среды в зависимости от величины поглощения в промежутке.

Это поведение ярко проявляется в оптических спектрах спиновыхшумов градиентного микрорезонатора, содержащего квантовую яму.3. В оптически неустойчивом резонаторе, межзеркальная среда которого обнаруживает нелинейный отклик на электромагнитное поле высокой плотности,возможно возникновение режима автоколебаний, при приближении к которому отклик на изменение гиротропии многократно возрастает. Модельныйучёт автоколебаний в такой системе позволяет описать как наблюдаемуюбимодальность спектра спиновых шумов градиентного микрорезонатора сквантовой ямой в области отрицательных отстроек, так и возникновение гиганстких шумов в области антипересечения фотонной моды и материальныхрезонансов среды.64.

Циркулярно поляризованный свет, длина волны которого лежит в областипрозрачности среды, при высокой плотности мощности пучка действует наэлектронную подсистему образца подобно магнитному полю. Магнитометрические возможности спектроскопии спиновых шумов позволяют исследовать свойства этого эффективного «оптического» поля и приписать его возникновение динамическому эффекту Штарка.5. Метод спектроскопии спиновых шумов позволяет непосредственно регистрировать процессы накачки и релаксации ядерной поляризации. Зондирование ядерной спиновой системы при этом может носить в зависимости отконтролируемых условий эксперимента как невозмущающий характер, так иприводить к оптической ориентации ядер благодаря остаточному поглощению.Научная новизна:1.

Впервые получены спектры спиновых шумов одиночной квантовой ямы вмикрорезонаторе, исследована их зависимость от температуры, мощностизондирующего света, приложенного магнитного поля и величины отстройкифотонной моды от положения материальных резонансов.2. Свойства отражения асимметричного микрорезонатора с поглощающим промежутком впервые были экспериментально исследованы методом спектроскопии спиновых шумов.3. Выполнено оригинальное экспериментальное и теоретическое исследованиеоптически неустойчивого резонатора методом спектроскопии спиновых шумов и построена модель возникающих в нём автоколебаний, приводящих кмногократному усилению поляриметрического отклика структуры.4.