Диссертация (Спектроскопия спиновых шумов полупроводниковых наноструктур)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТУДК 538.911, 543.454, 537.632.4На правах рукописиРыжов Иван ИгоревичСПЕКТРОСКОПИЯ СПИНОВЫХ ШУМОВПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОСТРУКТУРСпециальность 01.04.07 —«Физика конденсированного состояния»Диссертация на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:д-р физ.-мат. наук, ст. науч. сотр.Запасский Валерий СергеевичСанкт-Петербург — 20162ОглавлениеСтр.Введение .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5Глава 1. Аналитический обзор литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Глава 2. Теоретические и методологические основы спектроскопиишумов фарадеевского вращения . . . . . . . . . . .

. . . . . . .2.1 Базовые представления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.1.1 Соотношения Крамерса—Кронига и эффект Фарадея . . . .2.1.2 Флуктуации намагниченности ансамбля независимых частиц2.1.3 Корреляционные характеристики шумового сигнала итеорема Винера—Хинчина .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .2.2 Регистрация магнитного резонанса в спектрах флуктуацийазимута плоскости поляризации света . . . . . . . . . . . . . . . . .2.2.1 Геометрия эксперимента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.2.2 Чувствительность поляриметрических измерений . . . .

. . .2.2.3 Зависимость сигнала от геометрических параметров пучка .2.3 Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 3. Регистрация спиновых шумов объёмных и низкоразмерныхструктур -GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.1 Геометрия высокой поляризационной экстинкции . . . .

. . . . .3.2 Экспериментальное исследование объёмного -GaAs сприменением геометрии ВПЭ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.2.1 Образец и экспериментальная установка . . . . . . . . . .3.2.2 Зависимость спектра шумов фарадеевского вращения отдлины волны зондирующего излучения . . . . . . . . . . .3.2.3 Применение геометрии ВПЭ . . . . . . .

. . . . . . . . . .3.3 Спектроскопия спиновых шумов носителей заряда в одиночнойквантовой яме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.3.1 Экспериментальная установка спектроскопии шумовкерровского вращения . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .22222325262931353840. . 42. . 42. . 47. . 47. . 51. . 52. . 55. . 5733.3.2Образец с квантовой ямой в брэгговском микрорезонатореФабри—Перо . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.3.3 Экспериментальные результаты . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.4 Выводы . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67Глава 4. Нелинейный шумовой отклик асимметричногомикрорезонатора с поглощающим промежутком . . . . . . .4.1 Зависимость оптических спектров спиновых шумов от отстройкифотонной моды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.1.1 Свойства комплексного коэффициента отраженияасимметричного резонатора . . . . . .

. . . . . . . . . . . .4.1.2 Результаты моделирования оптических спектров спиновыхшумов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2 Эффект усиления поляриметрического сигнала в оптическинеустойчивом резонаторе . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .4.2.1 Экспериментальное наблюдение гигантскихполяризационных шумов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2.2 Отклик системы на внешнее переменное магнитное поле . .4.2.3 Гипотеза встроенного усилителя . . . . . . . . . .

. . . . .4.2.4 Модель автоколебаний в оптическом резонаторе . . . . . .4.2.5 Возникновение автоколебаний . . . . . . . . . . . . . . . .4.2.6 Усиление отклика на изменение гиротропии межзеркальнойсреды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.3 Выводы . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 5. Магнитометрические приложения спектроскопии спиновыхшумов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.1 Эффект индуцированного нерезонансным зондирующим светоммагнитного поля . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.1.1 Характеризация образцов . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.1.2 Зависимость формы спектра спиновых шумов от степениэллиптичности зондирующего света . . . . . . . . . . . .5.1.3 Зависимость от интенсивности зондирующего света . . .5.1.4 Природа «оптического» магнитного поля . . . .

. . . . .. 68. 68. 70. 73. 76.....7678798287. 89. 90. . 91. . 91. . 92. . 96. . 97. . 9945.2 Проявление динамики ядерной поляризации в спектрах спиновыхшумов электронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1025.3 Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . 107Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Список сокращений и условных обозначений . . . . . . . . . . . . . . . . 111Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112Список рисунков . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124Приложение А. Моделирование случайных процессов . . . . . . . . . . . 126Приложение Б. Модель спектра шумов фарадеевского вращенияносителей в одиночной КЯ . . . . . . . .

. . . . . . . . . 128Приложение В. Модель «оптического» магнитного поля . . . . . . . . . 1335ВведениеНастоящая работа посвящена исследованию полупроводниковых структурна основе арсенида галлия методом спектроскопии спиновых шумов. Полупроводниковые структуры, исследования электромагнитных и оптических свойствкоторых начались в СССР ещё в 20-х годах XX-го века [1], в настоящее время прочно заняли своё место не только в специализированных приборах, но ив повседневном быту: на базе полупроводников реализованы интегральные схемы, устройства хранения информации, светодиоды и лазеры и множество другихприборов, в том числе — подавляющее большинство вычислительных устройств.При этом абсолютное большинство этих вычислительных схем использует элементную базу на зарядовых логических элементах, технология производства которых усложняется непропорционально достигаемым показателям быстродействияи энергоэффективности.

Для решения этой известной проблемы, обусловленнойприближением линейных размеров транзисторов к пределу, в котором квантовомеханические эффекты преобладают над классическими, 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 [2], а также на управлении спиновыми состояниями носителей [3]. Взаимная близость подобных направлений — фотоники, плазмоники,спинтроники и иных «троник» — определяется тем фактом, что одними из наиболее перспективных систем для практических приложений в этих областях являются низкоразмерные структуры. Известно, что наблюдаемые при некоторомвоздействии на среду явления зачастую взаимосвязаны или даже являются разными проявлениями одного и того же процесса — например, проявляющийся воптическом диапазоне длин волн эффект Зеемана и явление электронного парамагнитного резонанса в диапазоне радиочастотном.

Таким образом, всестороннееисследование свойств среды, без которого невозможно понимание физики происходящих в ней процессов и управление ими, представляет собой важную экспериментальную и теоретическую задачу современной физики, на решение которойнаправлены многие оптические, электрические, магнитные методы исследований,в том числе и спектроскопические.6Спектроскопия спиновых шумов представляет собой новое, стремительно развивающееся направление экспериментальных исследований парамагнитныхсред.

Раскрытию потенциала этого метода в качестве полезного и во многом уникального экспериментального инструмента способствовали как существенные достижения цифровой техники спектрального анализа, так и успехи этого методапри исследовании полупроводников. Среди достоинств этой техники зачастую выделяют такие её свойства, как невозмущающий характер исследований; характерную обычно для нелинейной оптики чувствительность отклика к форме зондирующей области (при сохранении линейности отклика); информативность получаемых сигналов в отсутствие магнитного расщепления; нередко — экспериментальную простоту и некоторые другие [4]. Несмотря на значительный рост количества работ, выполненных при помощи спектроскопии спиновых шумов (ССШ), наданный момент нельзя считать, что исследованы все свойства и особенности этойтехники. В частности, в литературе достаточно мало освещены исследования наноструктур в режиме нелинейного шумового отклика.

Линейный, невозмущающийили не сильно возмущающий, режим отклика использовался в ряде проведённых врамках данной работы экспериментов, но в целом работа посвящена исследованиям методом ССШ полупроводниковых систем при высокой плотности мощностизондирующего излучения, в которых было обнаружено несколько интересных физических эффектов.Таким образом, актуальность данной работы обусловлена как высоким интересом к объектам исследования — полупроводниковым низкоразмерным структурам, так и необходимостью разработки и развития нового метода магнитооптических исследований.