Диссертация (1145380), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Для спиновой системытакие осцилляции эквивалентны прецессии спинов вокруг оси, перпендикулярнойнаправлению наблюдения. Поперечная релаксация приводит к затуханиюосциллирующегомакроскопическогодипольногомомента.Поперечнаярелаксация может быть обратимой (время Т2*), когда фазы осцилляцийразбегаются во времени за счет различия величин расщепления у индивидуальныхосцилляторов (спинов), и необратимой (время Т2), когда фаза каждогоосциллятора сбивается во времени за счет случайного релаксационного процесса.Одним из таких процессов является релаксация населенности, но в принципевозможна и чисто фазовая релаксация за счет взаимодействия с быстроменяющимися во временислучайными магнитными полями, параллельнымидействующему полю (статические случайные поля приводят к обратимой фазовойрелаксации).Понятия продольной и поперечной релаксации были впоследствииприменены и к экспериментам по оптической ориентации спинов.
От ЭПРэкспериментов эти эксперименты отличаются тем, что могут проводиться и вотсутствии внешнего магнитного поля. При наличии магнитного поля возможныдве конфигурации экспериментов: конфигурации Фарадея (магнитное полепараллельно направлению наблюдения – продольное поле) и конфигурации Фохта(магнитное поле перпендикулярно направлению наблюдения – поперечное поле).Продольное магнитное поле расщепляет уровни электронного спина на два«чистых» состояния с проекциями спина +1/2 и –1/2 на направление наблюдения.Переходы в эти состояния соответствуют левой и правой циркулярной23поляризациям.
Регистрируемая степень поляризации определяется относительнойзаселенностью этих состояний и источником ее затухания является продольнаярелаксация,характеризуемаявременемТ1.Вэтомслучае,релаксациянаселенностей является классической энергетической релаксацией.Ситуация в поперечном магнитном поле не имеет прямого аналога сэкспериментами по ЭПР.Поперечное поле также расщепляет спиновыеподуровни, но при этом каждый подуровень характеризуется когерентнойсуперпозициейсостоянийспротивоположнымипроекциямиспинананаправление наблюдения. Это означает, что после возбуждения светомопределенной поляризации средняя проекция спина начинает осциллировать вовремени с частотой, определяемой величиной расщепления, т.е.
вести себя так же,как в экспериментах по спиновому эху. Как и в этих экспериментах, затуханиеосцилляций будет определяться процессами фазовой релаксации. При этом,однако, времена фазовой релаксации, определенные по затуханию осцилляций впоперечном поле и в экспериментах по наблюдению эха, в принципе, могут несовпадать.Это утверждение относится и к обратимым, и к необратимым процессамфазовой релаксации. Обратимая релаксация в магнитном поле связана, преждевсего, с разбросом значений g-фактора. При этом в структурах с квантовымиямами разброс продольной и поперечной компонент электронного g-фактораможет быть разным. Такое различие приведет к различию времен фазовойрелаксации, измеренных в продольном (спиновое эхо) и поперечном (спиновыебиения) магнитных полях.Одним из основных источников необратимой фазовой релаксации являетсяспин-фононное взаимодействие. В продольном поле (спиновое эхо) испусканиеили поглощение фонона приводит к фазовой релаксации за счет релаксациинаселенностей спиновых подуровней с проекциями момента +-1/2.
В поперечномполе оба расщепленных подуровня характеризуются суперпозицией спиновыхсостояний, и переход между ними сбивает фазу прецессии, но не сопровождаетсяизменением среднего углового момента, т.е. в этом случае энергетическая24релаксация является чисто фазовой.
При этом вероятность поглощения ииспускания фонона оказывается существенно большей, чем в продольном поле, вкотором фонон должен унести угловой момент. Таким образом, фазовая спинфононная релаксация, измеренная в экспериментах по оптической ориентации,может оказаться более быстрой, чем в экспериментах по спиновому эху.Приведенная классификация процессов релаксации справедлива длядостаточно больших магнитных полей, когда энергия Зеемановского расщеплениясущественнопревышаетэнергию взаимодействияэлектронногоспинасокружением. При отсутствии внешнего поля или его малости по сравнению сдругими возмущениями, возникают дополнительные механизмы разрушенияспиновой ориентации.
Они связаны с воздействием случайных полей, ссобственным движением электрона в поле кристаллической решетки (механизмДьяконова-Переля) и др. В этом случае разделение процессов релаксации напродольные и поперечные утрачивает смысл, и можно говорить просто оразрушении созданной светом спиновой ориентации.1.4Оптические методы исследования спиновых состоянийполупроводникаОсновными методами изучения тонкой структуры и спиновой динамики вполупроводниках являются поляризационные оптические методы, основанные натом, что переходам между состояниями с определенной ориентацией спиновсоответствует определенная поляризация излучения. Ниже будут рассмотренынаиболее часто используемые оптические методы исследования спиновых системв полупроводниках.251.4.1 Спектроскопическое измерение расщепления уровней тонкойструктуры в магнитном полеСпектроскопический метод как наиболее прямой был исторически первымметодомисследованиятонкойструктуры.Дляопределениявеличинызеемановского расщепления по спектроскопическим данным необходимо, чтобыэта величина была большей, чем ширина экситонной линии или, по крайней мере,сопоставимой с ней.
Даже в высококачественныхструктурах с квантовымиямами ширина линий достаточно велика, и это условие выполняется только вбольших магнитных полях напряженностью порядка 10 T. Неоднородноеуширение в структурах с квантовыми точками еще больше, и реализовать прямоенаблюдение зеемановского расщепления в оптических спектрах таких структуркрайне затруднительно.Для подавления неоднородного уширения используется метод выделенияизлучения одиночных квантовых точек с помощью специальных микро-диафрагм(так называемая “Single Quantum Dot Spectroscopy – SQD-спектроскопия” [1.19]).После выделения излучения одиночной точки, зеемановское расщепление можнонепосредственно наблюдать в спектрах поляризованной люминесценции. Такимисследованиям посвящены работы Байера (M. Bayer) и др.
[1.10, 1.19]. В работе[1.10] авторы исследовали люминесценцию одиночных самоорганизованныхточек InGaAs в продольном магнитном поле (направление поля B совпадало сосью роста структуры z). Изучив зависимость расщепления экситонных линий ФЛот напряженности магнитного поля, авторы оценили величину анизотропногообменного расщепления, и продольные компоненты g-факторов электрона идырки. Величина анизотропного обменного расщепления составила 150 μэВ, gфакторов ge=-0.81 и gh=-2.21. Исследование спектров люминесценции одиночныхквантовых точек в наклонных магнитных полях [1.19] позволило раздельнооценить величины продольных и поперечных компонент g-факторов электрона идырки: ge,z=-0.8, ge,x=-0.65, gh,z=-2.2 и gh,x=-0.35.26В работах [1.20, 1.21] с помощью SQD-спектроскопии были исследованыоптические свойства самоорганизованных точек InP в магнитном поле.
Выделяяразные квантовые точки, авторы обнаружили разброс сдвигов и расщепленийлюминесцентных линий, связанный с разбросом размеров и форм квантовыхточек. Средняя величина продольной компоненты экситонного g-фактора,оцененная из этих данных, оказалась равной g || = 1.2 , при величине разброса ∆g =0.8. В статье [1.21] обсуждается проявление анизотропии самоорганизованных InPквантовых точек в спектрах люминесценции. Зафиксированные в спектраходиночныхквантовыхточекрасщепления,обусловленныеанизотропнымобменным взаимодействием, интерпретируются авторами как доказательствоналичия асимметрии в форме квантовых точек. По мнению авторов, причинойасимметрии являются внутренние напряжения, возникающие в гетероструктуре впроцессе изготовления.Метод SQD-спектроскопии при всей своей привлекательности имеет двасущественных недостатка.
Во-первых, он позволяет исследовать только образцы снизкой пространственной плотностью точек. Во-вторых, этот метод даетинформациюоботдельновыбраннойточкесееиндивидуальнымиособенностями, а не об ансамбле в целом.1.4.2 Оптически детектируемый магнитный резонанс (ОДМР)Этот метод также был одним из первых методов исследования спиновыхсостоянийэкситонов.Оноснованнарегистрацииперераспределениязаселенностей зеемановских подуровней радиационного экситонного дублета прирезонансном поглощении СВЧ поля, частота которого соответствует разностиэнергий этих подуровней.
Ограничения метода заключаются в том, что для егоуспешного применения необходимо, чтобы скорость рекомбинации экситонов непревышаласкоростьнаведенныхСВЧ–излучениемпереходовмеждурасщепленными экситонными уровнями. Другими словами, таким методомможно исследовать экситоны с большими (порядка десятка микросекунд)27временами жизни. Для экситонов в большинстве прямозонных структур этоусловие не выполняется. Однако в гетероструктурах типа II, в которых нижайшиеэкситонные состояния являются непрямыми как в реальном, так и в kпространствах, времена жизни экситонов достаточно велики, и этот метод вполнеможет быть применим.
Так, например, в работе [1.6] с помощью ОДМР былиисследованы экситонные расщепления в квантовых ямах GaAs/AlAs типа II. Дляразличных толщин GaAs и AlAs слоев были получены величины энергииобменного взаимодействия и g-факторов электрона и дырки.1.4.3 Спектроскопия пересечения уровнейВ основе этого метода лежит наблюдение изменения степени поляризацииэкситонной люминесценции при пересечении темных и светлых экситонныхуровней в магнитном поле.В случае равенства энергий темного и светлогосостояний любое, даже малое, возмущение, понижающее симметрию системы,приводит к их смешиванию, т.е. к антипересечению уровней, что должноопределенным образом сказаться на поляризации соответствующих переходов.Зафиксировав величины магнитных полей, в которых наблюдаются особенности встепени поляризации и зная значения g-факторов электрона и дырки, можноопределить энергии компонент обменного расщепления.Такой метод использовался, например, в работе [1.9].
Авторами былаизучена зависимость от магнитного поля степени циркулярной поляризациилюминесценции серии образцов с квантовыми ямами GaAs/AlxGa1-xAs разнойтолщины. По результатам сравнения экспериментов и расчетовудалосьустановить, что «темные» состояния расположены по энергии ниже «светлых», авеличина расщепления между «темными» и «светлыми» состояниями экситонасоставляет 0.15 мэВ для квантовой ямы с толщиной 2.5 нм и убывает монотонно сувеличением толщины ямы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
