Диссертация (1149174), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Как пример, на рисунке 1.2(б) представлена зависимость интенсивностиФЛ от времени паров кадмия в магнитном поле после возбуждения вспышкойимпульсной лампы (см. пионерскую работу [69]). На рисунке 1.2(а) представле26на фотография экрана осциллографа, полученная экспозицией 20000 импульсов.Рисунок 1.2 — (a) Фотография экрана осциллографа, полученная экспозицией20000 возбуждающих импульсов. На осциллограф выводилась временнаязависимость интенсивности ФЛ паров кадмия во внешнем магнитном поле привозбуждении паров импульсной лампой. (б) Усредненная зависимостьинтенсивности ФЛ от времени, полученная из обработки фотографии,изображенной на рисунке (а) [69].Квантовые биения в полупроводниках обнаружены для дискретных энергетических состояний экситонов [72]. Большинство экспериментальных работпосвящено квантовым биениям экситонов с легкой и тяжелой дырками [73—77] или квантовым биениям между спиновыми состояниями экситонов или свободных носителей [78—85].
В параграфах 1.2.2, 1.2.3 и 1.2.4 представлен обзорключевых работ, посвященных квантовым биениям экситонных состояний.1.2.2Квантовые биения магнитоэкситоновКак уже упоминалось, для эффекта квантовых биений необходима какминимум трехуровневая система, которая допускает когерентное возбуждениенескольких состояний. Такой системой, в частности, является экситонная система в квантовой яме в магнитном поле. Экситоны, взаимодействующие сосветом, имеют только две проекции полного углового момента: +1 и −1.
В магнитном поле, приложенном вдоль ростовой оси, экситонные волновые функцииимеют чистые состояния |+1> и |-1>. Их расщепление описывается диагональными матричными элементами оператора взаимодействия с магнитным полем.27Для объемных кубических материалов единственным выделенным направлением является направление распространения экситона, поэтому эта геометрияприложения называется "продольным магнитным полем"или геометрия Фарадея.
Именно он впервые "намагнитил свет приложив поле вдоль луча света.Поперечное поле (геометрия Фохта) смешивает состояния |+1> и |-1> и описывается недиагональными элементами матрицы Гамильтониана. Расщепленныесостояния и основное состояние кристалла (состояние "без экситона") образуют систему, которую оказывается возможно когерентно возбудить, например,при помощи излучения импульсного лазера. Именно появление импульсных лазеров, способных генерировать оптические импульсы длительностью короче 1пс, стало толчком в исследованиях когерентных эффектов в полупроводникахи всевозможных полупроводниковых гетероструктурах.Одной из первых работ, в которой экспериментально исследованы квантовые биения магнитоэкситонов, является работа [78].
В этой работе представленырезультаты экспериментов, проведенных методами спектроскопии накачка-зондирование (описание этого метода дано в параграфе 2.3). Авторы исследовалиполупроводниковые гетероструктуры с множественными КЯ GaAs/AlGaAs исверхрешетками в магнитном поле, приложенном перпендикулярно плоскостиобразца. В зависимости фотомодулированного пропускания от относительнойзадержки между импульсами накачки и зондирования наблюдались осцилляции, частота которых соответствует энергетическому расщеплению экситонныхсостояний во внешнем магнитном поле. Авторы этой работы предлагают использовать наблюдаемые ими квантовые биения, как новый метод определения g-фактора экситонов (коэффициента пропорциональности между величиной расщепления и напряженностью приложенного поля).Во многих работах квантовые биения используются для изучения процессов, непосредственно не связанных с интерференцией квантовых состояний.
Вработе [79] квантовые биения впервые изучались во временной динамике интенсивности ФЛ от квантовой ямы InGaAs/GaAs, помещенной в продольноемагнитное поле. Сигнал квантовых биений позволил определить энергию электрон-дырочного обменного взаимодействия двумерных экситонов.В работе [80] исследовались квантовые биения магнитоэкситонов в сверхрешетке GaAs/AlGaAs. Если магнитное поле приложено вдоль оси роста структуры, то квантовые биения проявляются в зависимости степени линейной поля28ризации ФЛ от времени. В этом случае квантовые биения связаны с интерференцией расщепленных магнитным полем экситонных состояний, взаимодействующих со светом, т.е. с полным спином ±1. Если магнитное поле приложено ортогонально оси роста структуры, то квантовые биения проявляются в циркулярной поляризации.
Квантовые биения происходят между оптически активнымии неактивными экситонными дублетами, т.е. между экситонными состояниямисо спином ±1 и ±2. Анализ зависимости характеристик квантовых биений позволил авторам работы получить обширную информацию. Анализ зависимостичастот квантовых биений от интенсивности магнитного поля и его ориентациипозволил определить g-факторы электрона и дырки в исследуемой структуре, атакже энергию электрон-дырочного обменного взаимодействия. Скорости затухания квантовых биений и степени поляризации ФЛ содержат информацию оскоростях релаксации носителей и их когерентности, что позволило сделать вывод о важности различных процессов, ответственных за потерю когерентности.В работе [83] идейно продолжающей работу [80] было показано, что приложение электрического напряжения вдоль оси роста структуры позволяет изменятьэнергию электрон-дырочного обменного взаимодействия в КЯ.
Последнее означает, что приложение электрического напряжения позволяет воздействовать наносители, чей спин прецессирует во внешнем магнитном поле. При одних значениях приложенного напряжения прецессирует экситонный спин, а при другихэлектронный, т.е. "отвязанный"от дырочного.В другой работе [81] той же группы авторов изучалась временная динамика ФЛ самоорганизованных InP квантовых точек.
Эта работа является важнымэтапом в изучении самоорганизованных квантовых точек, обладающих большим разбросом параметров по ансамблю (размер и компонентный состав). Втаких квантовых точках изучение тонкой структуры состояний представлялосьвозможным только методами спектроскопии одиночных квантовых точек. Изучение квантовых биений состояний носителей, расщепленных во внешнем магнитном поле, позволяет получить ценную информацию несмотря на разброспараметров по ансамблю. В частности, показано, что характеристики, ответственные за тонкую структуру состояний, испытывают гораздо меньший разброс по ансамблю, чем разбор энергий экситонных переходов.
В работе такжебыла показана важная роль резидентных электронов на спиновую релаксациюфоторожденных носителей.29Во многих работах [86—88] показана возможность создания элементов памяти и логики для будущих квантовых компьютеров. В одной из таких работ [84] было показано, что при помощи оптических импульсов оказываетсявозможным управлять фазой и амплитудой квантовых биений между спиновыми состояниями электрона в магнитном поле.Следует также упомянуть большой пласт работ, напрямую не относящихся к квантовым биениям магнитоэкситонов. В этих работах исследуются гетероструктуры с резидентными носителями (в структурах имеется дополнительное легирование). В этих гетероструктурах происходит связывание резидентного спина и экситонов в трионы.
Прецессия электронных и трионных спиновв поперечном магнитном поле приводит к ряду интересных эффектов. Из-забольшого времени жизни спиновой когерентности резидентных электронов вовнешнем поперечном магнитном поле в экспериментах накачка-зондированиенаблюдаются осцилляции сигнала фарадеевского или керровского вращения,затухающие за времена порядка нескольких наносекунд [89; 90]. Использование импульсных лазеров для изучения квантовых точек с резидентными электронами методом накачка-зондирование со строго периодичным следованиемимпульсов с периодом следования ∼ 13 нс приводит к тому, что наблюдается большой сигнал биений при отрицательных задержках. Это связано с тем,что время спиновой когерентности в каждой отдельной квантовой точке значительно больше, чем время обратимой фазовой релаксации ансамбля квантовыхточек и больше чем период следования импульсов.
Это приводит к тому, что выделяется подансамбль квантовых точек, у которых период прецессии спина вовнешнем магнитном поле кратен периоду следования импульсов, и периодичноследующие импульсы накачки когерентно накачивают спиновую систему этогоподансамбля [91; 92], что и проявляется как сигнал биений при отрицательныхзадержках.301.2.3Квантовые биения между экситонами с легкой и тяжелойдыркамиНарушение трансляционной симметрии в направлении ростовой оси КЯприводит к снятию вырождения между зонами тяжелых и легких дырок при = 0.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
