Диссертация (1104238), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Топологическая неэквивалентность объема топологических изоляторов и вакуума (описываемогокак топологически-тривиальный изолятор с шириной запрещенной зоны2mc2 ) приводит к появлению особого класса «спиральных» поверхностныхсостояний на поверхности 2D/3D топологической изолятора с линейнымэлектронным спектром.
Данные состояния уникальны тем, что они являются невырожденными по спину и защищены от обратного рассеяния симметрией относительно обращения времени [22]. Несмотря на сильное спинорбитальное взаимодействие в объеме топологических изоляторов, приводящее к релаксации спинового порядка за доли пикосекунды [23], однозначная связь между спином электрона и его импульсом позволяет реализоватьэффективный спиновый транспорт на поверхностных состояниях а такжеинжекцию спин-поляризованных носителей заряда.С фундаментальной точки зрения спиновая структура поверхностных состояний топологического изолятора приводит к возникновению множества фундаментальных эффектов, включающих в себя топологическиймагнитоэлектрический эффект и возникновение магнитного монополяизображения, полуцелый квантовый эффект Холла, возможность создания и наблюдения новых элементарных возбуждения, эквивалентных фермионам Майораны в топологических сверхпроводниках и на интерфейсетопологический изолятор-сверхпроводник [22, 24]С практической точки зрения, помимо изложенного потенциала дляиспользования в виде устройств спинтроники, особенный интерес представляют топологические изоляторы, допированные магнитными примесями исвязанные с ферромагнитной пленкой за счет обменного взаимодействия[25, 26], а также реализация устойчивых к ошибкам протоколов квантовых8вычислений на основе квантовых цепей в топологических сверхпроводниках и на интерфейсе топологический изолятор-сверхпроводник [22, 27].Поскольку поверхностные электронные состояния в 3D топологических изоляторах локализованы в пределах одной элементарной ячейкивблизи поверхности объемного материала перспективным являются развитие методов бесконтактного поверхностно-чувствительного зондированияих физических свойств, что обуславливает использование спектроскопиифотоэмиссии с временным разрешением (ARPES) [28] и методов, основанных на использовании квадратичных нелинейно-оптических эффектов таких как когерентные фотогальванические эффекты [29,30] и генерация оптической второй гармоники [31].
Однако, в рамках данных экспериментовне являются не продемонстрировано однозначного наблюдения поверхностных состояний топологических изоляторов нелинейно-оптическими методами и данная область является мало изученной.Помимо вышесказанного, важную информацию о физических свойствах системы можно получить, изучая динамику процессов, определяющих линейный или нелинейный оптический отклик. Подобный подход хорошо развит на основе оптической методики накачки-зондирования, позволяющей получать рекордное временное разрешение для металлов и полупроводников, однако он только начинает использоваться для изученияэлектронных процессов в топологических изоляторах [23, 32].Цель работыЦель диссертационной работы состояла в экспериментальном исследовании механизмов формирования линейного оптического и квадратичногонелинейно-оптического отклика группы новых материалов, обладающихдвумерными электронными состояниями с дираковским спектром - многослойного графена, трехмерного топологического изолятора Bi2 Te3 и структуры топологический изолятор/ферромагнитный металл, а также исследовании временных характеристик их оптического и нелинейно-оптическогоотклика.
В рамках данной цели были сформулированы следующие задачи:1. Исследование особенностей квадратичного нелинейного оклика многослойного графена, полученного химическим газофазным осаждением, и изучение влияния протекания электрического тока на процессгенерации ВГ в графене.2. Исследование динамики линейного оптического отклика кристаллов9Bi2 Te3 в широком диапазоне температур и мощностей накачки.3. Исследование динамики квадратичного нелинейно-оптического отклика тонких пленок Bi2 Te3 и гетероструктур Bi2 Te3 /Al2 Ox /Co/Au.Научная новизна1.
Впервые исследовано нелинейное рассеяние на частоте второй оптической гармоники в пленках химически осажденого многослойногографена. Методом микроскопии ВГ продемонстрировано, что основной вклад в нелинейное рассеяние дают «складки» между кристаллитами в поликристаллической пленке графена.2. Впервые изучены спектры генерации второй гармоники в пленкахмногослойного графена на подложке SiO2 /Si в условиях протеканияэлектрического тока и показано, что наблюдается значительная, до20%, модуляция интенсивности ВГ, зависящая от величины и направления электрического тока; предложено феноменологическое описание эффекта, основанное на снятии центральной симметрии структуры в присутствии тока.3. Впервые исследована динамика дифференциального отражения кристаллов топологического изолятора Bi2 Te3 при оптическом возбуждении излучением ближней инфракрасной области спектра.
Впервыенаблюдалось возбуждение всех четырех разрешенных когерентныхфононных мод в этих условиях.4. Впервые изучена динамика квадратичного нелинейно-оптическогоотклика тонких пленок Bi2 Te3 . Впервые наблюдалось когерентноевозбуждение ИК-активных объемных фононных мод в теллуриде висмута и возбуждение поверхностной A1 моды, связанной с нарушениемсимметрии в приповерхностной области.Защищаемые положения:1. Генерация второй гармоники в многослойном графене, полученномметодом химического газофазного осаждения, имеет существенную10некогерентную диффузную составляющую, связанную преимущественно с флуктуациями квадратичной восприимчивости в областинеоднородной структуры графена в окрестности складок между микрокристаллитами.2.
Протекание постоянного электрического тока через графен на подложке SiO2 /Si приводит к появлению дополнительного когерентноговклада в генерацию ВГ, определяемого величиной и направлениемтока.3. Динамика линейного дифференциального отражения кристаллов топологического изолятора Bi2 Te3 определяется совокупностью процессов электронной и решеточной динамики, а именно динамикой газа свободных носителей заряда, их диффузией, нагревом кристаллической решетки в поле лазерного излучения и когерентным возбуждением оптических фононов. При этом использование в качестве накачки ИК излучения позволяет эффективно возбуждать все 41,2рамановски-активные моды A1,21g и Eg кристалла Bi2 Te3 .4. Динамика дифференциального сигнала отраженной и прошедшей ВГв тонких пленках Bi2 Te3 определяется совокупностью процессов динамической экранировки приповерхностного поля, диффузии носителей заряда и когерентного возбуждения ИК-активных оптическихфононных мод.
Наиболее интенсивной предположительно являетсяповерхностная A1 мода, связанная с приповерхностным понижениемсимметрии за счет обрыва связи и/или электрического поля.Личный вклад Все результаты, представленные в диссертационнойработе, получены автором лично или при его непосредственном участии в«Лаборатории нелинейной оптики наноструктур и фотонных кристаллов»на кафедре квантовой электроники Физического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова, а также в фемтосекундном лазерном центре Института спектроскопии РАН и в группеэкспериментальной биофизики и нанотехнологий королевского колледжа вЛондоне (King’s College London), г. Лондон, ВеликобританияНаучная и практическая значимость работы состоит в расширении понимания механизмов, формирующих линейный и квадратичный11нелинейно-оптический отклик графена и представителя второго поколения сильных топологических изоляторов — теллурида висмута, в развитиифеноменологических методов описания наблюдающихся в них эффектов, атакже нелинейно-оптических экспериментальных методик диагностики таких сред.
Результаты, полученные в диссертационной работе, демонстрируют новые возможности метода генерации ВГ для диагностики данныхнаноматериалов, в том числе для исследования электрон-фононного взаимодействия на поверхности топологического изолятора. С практическойточки зрения изучавшиеся эффекты могут найти применение при созданииоптических сенсоров.Обоснованность и достоверность Результаты, представленные вдиссертации, получены на основе многократно повторенных экспериментов, проведенных на современном научном оборудовании с использованиемсовременных методов обработки данных.
Экспериментальные данные подтверждены расчетами, основанными на адекватно выбранных физическихмоделях анализируемых процессов, а также не противоречат результатамдругих групп исследователей. Результаты исследований неоднократно обсуждены на семинарах и доложены на специализированных конференцияхпо проблемам, связанных с тематикой диссертационной работы. Большаячасть результатов опубликована в международных и российских научныхжурналах. Это позволяет считать полученные результаты обоснованнымии достоверными, а также полностью отвечающими современному мировому уровню исследований.Апорбация работы Результаты работы обсуждались на российскихи международных конференциях:1.
IONS-10 2011 (Саутгемптон, Великобритания)2. Frontiers in Optics/Laser Science (FiO/LS) 2011 (Сан-Хосе, Калифорния, США) IONS-NA-3 2011 (Стенфорд, Калифорния, США)3. IONS-11 2012 (Париж, Франция)4. 2nd Chineese-Russian Workshop on Laser Physics 2012 (Таньцзынь,КНР)5. EOS Annual Meeting 2012 (Абердин, Великобритания)6. IONS-13 2013 (Цюрих, Швейцария)127. The International Conference on Coherent and Nonlinear Optics/TheLasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT) 2013 (Москва,Россия)8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
