Диссертация (1149174), страница 14
Текст из файла (страница 14)
При настройке накачки на третий экситонный резонанс 3, частотыквантовых биений, измеренных в спектральных максимумах (минимумах) фотомодулированного отражения, соответствуют энергетическому расстоянию между соответсвующими экситонными уровнями и уровнем 3. При дальнейшемуменьшении энергии фотонов накачки происходит когерентная накачка двухнижайших состояний. В случае когерентной накачки только состояний 1 и2, наблюдаются квантовые биения с наименьшей частотой 12 = 0.094 ТГц.706I.)2.40IIIIIIIIpp (−2IV−4−6−20−100( )1020..)I(IIIIIII00.10.20.3()0.40.5Рисунок 4.2 — (а) Примеры кинетики фотоотражения, измеренные вразличных, спектрально выделенных экситонных переходах, которыеотмечены около каждой кривой. Кривые I, II, III и IV измерены припреимущественном возбуждении состояния 4.
Кривая II(I) измерена приусловиях, когда возбуждаются только состояния I и II. (б) Фурье-анализкинетик. Сплошные линии - аппроксимация лоренцианами.710.4ννIV-I= 0.4THzIV-IIIν (THz)0.30.2ν= 0.31THzI-III =0.17THz0.10νI-II =0.11THzЭнергия фотонов накачки эВ1.4931.49351.4941.4945( )Рисунок 4.3 — Частоты квантовых биений полученные из эксперимента(жирные точки) при различных энергиях фотонов накачки и ожидаемыечастоты биений, соответсвующие энергетическим расстояниям междуэкситонными состояниями (пунктирные линии).На рисунке 4.3 показана зависимость наблюдаемых в эксперименте частот квантовых биений от энергии фотонов накачки.Аналогичные измерения также были проведены на другом образце с параболической КЯ. Результаты этих измерений представлены для иллюстрацииуниверсальности наблюдаемых эффектов. Все рассуждения, представленные вследующих параграфах, имеют общий характер, но сконцентрированы только на данных, представленных выше.
Описание образца и его характеризацияпредставлены в разделе 2.1. Спектр фотомодулированного отражения приведенна рисунке 4.4(а). Он демонстрирует как минимум 10 эквидистантных уровней размерного квантования экситона в параболическом потенциале КЯ. Различные уровни размерного квантования в приведенном спектре проявляютсяпо-разному. Некоторые особенности спектра фотомодулированного отраженияотмечены символами ”Nh"и ”1l". Уровни с четными номерами проявляются ввиде ”дисперсионного"контура, уровни с нечетными номерами проявляются ввиде очень слабой особенности, похожей на перегиб. Также в спектре фотомодулированного отражения отчетливо проявляются особенности, связанные с720.41h(a)4h0.26h0/4h−0.21l 2h1.58−0.46h1.591.61.61( )1h-1l( )4h-1h6h-1h6h-1h4h-1h/2h-1l1l-1h−3−2−10( )12Рисунок 4.4 — (а) Спектр фотомодулированного отражения образца спараболической КЯ.
Символами ”Nh"показаны особенности, связанные сквантово-размерными уровнями экситона с тяжелой дыркой, где N – номеруровня. 1l - нижайший уровень размерного квантования экситона c легкойдыркой. (б) Зависимости сигналов накачка-зондирование, измеренных вотмеченных на рисунке (а) особенностях. В подписях кривых первая парасимволов означает, уровень на котором наблюдается сигнал, а вторая уровень, с которым происходят квантовые биения.73основными состояниями LH и HH экситонов c легкой и тяжелой дыркой в КЯ,отмеченные как "1l"и "1h"соответственно. Квантовые биения в такой системетакже изучались методом накачка-зондирование.
Однако, в качестве импульсов накачки и зондирования использовались спектрально широкие импульсыдлительностью ≈ 100 фс, накрывающие все наблюдаемые уровни размерногоквантования.На рисунке 4.4(б) представлены зависимости сигнала фотоотражения отзадержки между импульсами накачки и зондирования, измеренные в спектральных особенностях спектра фотомодулированного отражения, помеченных на рисунке 4.4(а). Как видно, осцилляции также проявляются как при положительных, так и при отрицательных задержках. Частоты осцилляций представлены втаблице 2 Время затухания осцилляций значительно меньше чем у осцилляций,представленных на рисунке 4.2 для образца с прямоугольной КЯ.
Такое отличие времен затухания, по-видимому, связано с различным качеством исследованных гетероструктур. Последнее проявляется в отличающихся практическина порядок ширинах особенностей в спектрах отражения и фотомодулированного отражения. Если для образца с прямоугольной ямой ПШПВ составляет≈ 0.1 мэВ, то для образца с параболической КЯ ПШПВ составляет ≈ 1 мэВ.Большая ширина особенностей в спектрах отражения для образца с параболической КЯ, вероятнее всего, обусловлена сильным неоднородным уширением,которое приводит к дефазировке интерферирующих экситонных состояний.Таблица 2 — Частоты квантовых биений в параболической квантовой ямеКБ1h-1l 1l-1h 2h-1h 4h-1h 4h-1h 6h-1h 6h-1hПоложение (эВ) 1.5772 1.5782 1.581 1.5874 1.589 1.5947 1.5968Частота (ТГц)0.240.240.92.432.814.174.67Наблюдение квантовых биений на двух образцах сильно отличающихся,как параметрами гетероструктуры и энергетическим экситонным спектром, таки качеством самих гетероструктур, говорит об универсальности наблюдаемогоэффекта.
Итак, в сигнале накачка-зондирование гетероструктур с КЯ при когерентном возбуждении нескольких квантово-размерных экситонных состоянийнаблюдаются осцилляции амплитуды сигнала. Частоты квантовых биений соответствуют энергетическому расстоянию между наблюдаемым экситонным ре74зонансом и каким-либо другим экситонным квантово-размерным резонансом.Осцилляции наблюдаются при положительных и отрицательных задержках.Наблюдаемые частоты квантовых биений зависят условий возбуждения квантовой системы.4.2Интерпретация наблюдаемого сигналаОбщий теоретический анализ [72] также представленный в параграфе говорит о том, что осцилляции во временном отклике многоуровневой квантовойсистеме могут быть вызваны двумя процессами.
Первый связан с оптическойинтерференцией поляризаций, созданных когерентным возбуждением независимых квантовых систем. Осцилляции наблюдаются пока сохраняется когерентность поляризации на оптической частоте. Второй процесс – это квантовые биения когерентно возбужденных состояний единой квантовой системы. В этомслучае, когерентность поляризаций не требуется, и квантовые биения наблюдаются, пока имеет место взаимная когерентность состояний.Разделение этих процессов довольно сложная задача [98; 127].
Эксперименты накачка-зондирование, однако, позволяют идентифицировать процессы,поскольку интерференция поляризаций, созданных лучом накачки в независимых квантовых системах, не наблюдается в этих экспериментах. С другой стороны, квантовые биения состояний в единой квантовой системе могут наблюдаться, ведь если взаимная когерентность возбужденных состояний создана,то вероятность оптических переходов в основное состояние квантовой системыесть осциллирующая функция времени [128—130]. Эти осцилляции вероятностиприводят к осциллирующему сигналу, наблюдаемому в кинетике ФЛ [69; 70]и модулированного отражения [77].
По этим причинам осцилляции, наблюдаемые в представленных экспериментах, могут быть определенно точно трактованы, как квантовые биения квантово-размерных экситонных состояний в единойквантовой системе.Теоретический анализ, приведенный в следующем параграфе показал, чтоесли когерентная суперпозиция нескольких экситонных состояний приготовлена, то осциллирующий сигнал, детектируемый в направлении отраженного луча75для каждого отдельного экситонного перехода , состоит из нескольких компонент∑︁| |2 cos ( ) − /(4.1) ( ) ≁=[см. выражение 4.14], где – дипольный момент экситонного перехода |0⟩ → |⟩и – время затухания взаимной когерентности и экситонных состояний.
Каждое -ое слагаемое содержит осциллирующие функции временной задержки, , между импульсами накачки и зондирования. Частоты осцилляций, = ( − )/~, определяются энергетическими расстояниями между состояниями и , которые могут быть определены из экспериментов по отражениюи пропусканию.Детальная теоретическая модель, описывающая наблюдаемые квантовыебиения, представлена в следующем параграфе. Согласно выражению 4.14,вклад каждой компоненты зависит от энергетического спектра возбуждающихимпульсов. В самом деле, когда IV-ое квантово-размерное состояние преимущественно возбуждается в эксперименте (см. рисунок 4.2), частоты квантовыхбиений, полученные из сигнала накачка-зондирование на длинах волн зондирования переходов I - III, определяются энергетическим расстоянием междусоответствующими экситонными уровнями и уровнем IV.
В то же самое время, квантовые биения полученные на длине волны IV- го экситонного переходав основном демонстрируют интерференцию IV и I экситонных состояний, поскольку оптический переход из состояния I характеризуется наибольшей силойосциллятора (см. таблицу 1).Приведенные выше рассуждения сфокусированы на квантовых биениях,наблюдаемых при положительных задержках, когда импульс зондирования приходит после импульса накачки. Однако, из рисунка 4.2(a) видно, что квантовыебиения отчетливо проявляются также и при отрицательных задержках, когдаимпульс зондирования приходит первым.
Это необычное явление требует болеетщательного обсуждения. Один из возможных механизмов проявления квантовых биений при отрицательных задержках был предложен в работе [131]. Вней предполагается, что импульс зондирования создает осциллирующую поляризацию, из-за когерентного возбуждения нескольких экситонных состояний.Достаточно сильный импульс накачки, приходящий с определенной задержкой, может разрушить когерентность, поскольку он создает новые экситоны76и свободные носители. Нарушение когерентности приводит в резкому уменьшению интенсивности вторичного излучения в направлении отраженного лучазондирования. Это приводит к тому, что сигнал накачка-зондирование являетсяосциллирующей функцией задержки между импульсами накачки и и зондирования [129]. Однако, анализ показал, что в таком случае осцилляции в детектируемом сигнале должны быть более слабыми.Мы предлагаем другой механизм формирования осциллирующего сигнала при отрицательных задержках.
Мы связываем его появление с дифракциейвторичного излучения индуцированного импульсом накачки на решетке населенности, созданной совместным действием импульсов накачки и зондирования.Он представляет собой сигнал четырех-волнового смешения (ЧВС), который детектируется в направлении отраженного луча зондирования. Следует отметить,что стандартное направление для детектирования сигнала ЧВС определяетсявыражением 21 − 2 , где 1 и 2 проекции волновых векторов лучей накачкии зондирования на плоскость КЯ соответственно [72] (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
