Диссертация (1149174), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Энергетический зазор между экситоными состояниями с тяжелой (HH)и легкой (LH) дырками в КЯ зависит от ширины КЯ и высоты барьеров. Этасистема также является трехуровневой системой, схема которой изображенана рисунке 1.1. Квантовые биения в такой системе впервые исследовались вработах [93; 94]. В этих работах, как и в работе [95], квантовые биения исследовались методами спектроскопии четырехволнового смешивания (в иностраннойлитературе общепринято сокращение FWM, которое бы будем использовать далее). Экспериментальная техника по изучению FWM основана на когерентномэффекте, связанном с оптической восприимчивостью 3-го порядка.
В эксперименте излучение импульсного лазера делится на два луча (накачка и зондирование), которые направляются на образец под разными углами, соответствующими волновым векторам фотонов 1 и 2 в плоскости КЯ. Изменяя длинуоптического пути одного из лучей относительно другого, можно менять относительное время прихода на образец импульсов накачки и зондирования.
Первыйимпульс, пришедший в образец, создает поляризацию среды. Второй луч такжесоздает поляризацию. Вследствие нелинейности взаимодействия с экситоннойсистемой второй луч создает решетку населенности на поляризации, созданной первым импульсом. На этой решетке населенности происходит дифракциявторого луча. Порядкам дифракции ±1 соответствуют направления 22 − 1 и−1 . В эксперименте регистрируется интенсивность излучения в одном из этихнаправлений в зависимости от задержки между импульсами.В работе [93] изучался образец, содержащий 10 узких GaAs/AlGaAs КЯшириной 17 нм, разделенных широкими 15-нм барьерами. Было использованоизлучение импульсного лазера, спектральная ширина излучения которого позволяла одновременно возбуждать состояния LH и HH экситонов в КЯ. В зависимости интенсивности сигнала FWM от задержки между двумя импульсами,падающими под разными углами, наблюдались осцилляции сигнала.
Частотаосцилляций соответствует энергетическому расщеплению состояний HH и LH31экситонов в КЯ. Осцилляции наблюдаются только при одновременном возбуждении двух состояний. При возбуждении только одного состояния квантовыебиения пропадали. В экспериментах также наблюдался сигнал при отрицательных задержках, хотя и значительно меньший по амплитуде. Отметим, что втакой постановке эксперимента осцилляции при отрицательных задержках недолжны наблюдаться, поскольку условия дифракции сигнала FWM не совпадают с условиями дифракции при положительных задержках. Анализ показывает, что сигнал FWM при отрицательных задержках должен распространяться внаправлениях, отличных от направлений для положительных задержек междуимпульсами.
Сигнал при отрицательных задержках авторы объясняют многочастичным взаимодействием между экситонами.Другим интересным эффектом является сильное влияние относительныхполяризаций двух лучей в двухлучевом эксперименте по вырожденному FWM.Простейшая модель трехуровневой системы не учитывает детали кристаллической структуры и симметрии. Таким образом она не может предсказать поляризационные закономерности в сигнале FWM. В работе [96] была рассмотренашестиуровневая модель, описывающая электроны с угловым моментом = 1/2,дырки с = 3/2 и возбуждение линейно поляризованным светом. Авторы показали, что для ко-поляризованных падающих лучей, сигнал FWM поляризованлинейно.
Направление линейной поляризации совпадает с направлением поляризации падающих лучей. В случае линейно кросс-поляризованных падающихлучей, сигнал FWM, распространяющийся в направлении 22 −1 , поляризованортогонально лучу 1. Осцилляции спектральных компонент, соответсвующихHH и LH экситонам, сфазированы для ко-поляризованных лучей и сдвинутыпо фазе для кросс-поляризованных падающих лучей. Для всех других поляризаций падающих лучей, сигнал FWM эллиптически поляризован. Квантовыебиения исчезают, когда два луча поляризованы под 45∘ по отношению друг кдругу. Последнее утверждение является следствием правил отбора для LH иHH экситонных переходов в КЯ. Эти теоретические предсказания были экспериментально подтверждены в работе [96].Авторы работы [76] изучали FWM в одиночной высококачественной КЯGaAs/AlGaAs с пикосекундным временным разрешением. Т.е. измеряли временную динамику сигнала FWM при фиксированной временной задержке междудвумя падающими на образец импульсами.
Сигналы для ко- и кросс-поляри32зованных импульсов демонстрируют квантовые биения с различными частотами, соответствующими расщеплению между LH и HH состояниями и энергиисвязи биэкситонов, соответсвенно. Сопоставление экспериментальных данныхс решением оптического уравнения Блоха для феноменологической модельнойсистемы позволило авторам связать наблюдаемые в эксперименте особенностис сильным вкладом биэкситонных состояний в нелинейный когерентный откликдвумерных экситонов.В работе [75] изучалась когерентная поляризация межзонных переходовв объемном GaAs в эксперименте накачка-зондирование. Отличительной особенностью этой работы является использование сверхкоротких импульсов длительностью 20 фс. Авторы впервые наблюдали квантовые биения на временноммасштабе 100 фс, связанные с квантовой когерентностью между состояниямилегких и тяжелых дырок.
Частота биений, определяемая энергетическим расщеплением зон легких и тяжелых дырок, изменялась при удалении энергиифотонов лазера от энергии, соответствующей ширине запрещенной зоны.1.2.4Интерференция поляризаций и квантовые биенияЕсли когерентное лазерное излучение возбуждает более одного оптического перехода, в общем случае могут наблюдаться различные интерференционные явления. Квантовые биения, обсуждавшиеся в параграфах 1.2.2 и 1.2.3,являются не единственно возможным интерференционным явлением. Микроскопическая природа детектируемых в эксперименте осцилляций сигнала может кардинально отличаться в зависимости от того, принадлежат ли когерентно возбужденные состояния двум или нескольким независимым системам, либо возбужденные состояния принадлежат одной квантовой системе с общимуровнем (см.
рисунок 1.3). Например, в трехуровневой системе с двумя близко расположенными возбужденными состояниями квантовые биения вызваныквантовомеханической интерференцией этих состояний. В противоположностьэтому, две несвязанные двухуровневые системы без общего состояния, имеющие близкие частоты оптических переходов, также могут демонстрировать осцилляции сигнала из-за интерференции на детекторе излучений от каждой из33двух систем. Последнее явление называют интерференцией поляризаций.
Следует подчеркнуть принципиально разное поведение связанной и несвязаннойсистем при наличии релаксационных процессов. В несвязанной системе когерентность нарушается, если происходит сбой фазы оптического излучения хотябы в одной из подсистем.
Механизмов сбоя фазы излучения в полупроводниковых гетероструктурах достаточно много, поэтому потеря когерентности обычнопроисходит очень быстро, за единицы пикосекунд. В отличие от этого, потерявзаимной когерентности двух близко расположенных состояний единой квантовой системы - процесс существенно менее вероятный. В частности, взаимнаякогерентность компонент зееманоского расщепления не разрушается при взаимодействии с фононным резервуаром, поскольку фононы не несут магнитногомомента. Пример такого явления приведен в работе [97].
Сбой фазы оптического излучения может не приводить к потере взаимной когерентности состояний.21E 0102E 12(а)1E02E 12EE 01002(б)Рисунок 1.3 — (а) Схема уровней двух независимых двухуровневых систем.(б) Схема уровней трехуровневой системы, в которой возбужденные состоянияимеют общее основное состояние.Однозначная интерпретация наблюдаемых осцилляций сигнала, как квантовых биений или интерференции поляризаций не всегда оказывается простойзадачей, несмотря на то, что природа двух явлений различна.
Далее в этомпараграфе будет описано два экспериментальных метода, позволяющих датьоднозначную интерпретацию наблюдаемых явлений.34В первом методе предполагается изучение сигнала четырехволнового смешивания с временным разрешением (TRFWM). В работе [98] изучалась временная эволюция поляризации третьего порядка, распространяющейся в направлении 22 − 1 , в двухлучевом эксперименте. Поляризация третьего порядкаописывается выражением(3) (, ) ∼ (1)* ( ) (1) ( − )(1.8)для случая квантовых биений, и выражением(3) (, ) ∼ (1)* (0) (1) ( − 2 )(1.9)для случая интерференции поляризаций, где (1) () ∼ (∆/2~)(1 /2 + 2 /2),(1.10)и ∆ – разность энергий между оптическими переходами.
На основе анализаэтих выражений можно показать, что сигнал квантовых биений для фиксированной задержки между импульсами максимален, когда = + ~/∆для целых . В то же время, биения, связанные с интерференцией поляризаций, дают максимальный сигнал для = 2 ± ~/∆. Кроме того, при отсутствии дефазировки максимум в случае интерференции поляризаций являетсяконстантой при изменении . В случае квантовых биений, сигнал осциллируетпри изменении (ср.
выражения (1.8) и (1.9)).Авторы работы [98] провели серию экспериментов для подтвержденияописанных выше рассуждений. Для случая квантовых биений исследоваласьгетероструктура с множественными КЯ. При одновременном возбуждении LHи HH экситонных состояний наблюдаются зависимости, полностью совпадающие с описанными выше для случая квантовых биений. Для изучения случаяинтерференции поляризаций были проведены эксперименты, в которых изучалась гетероструктура с набором КЯ двух различных ширин 8 нм и 9 нм. Из-замалой ширины квантовых ям расщепление LH и HH экситонных состояний было достаточно большим, что позволило избежать одновременного возбужденияLH и HH экситонов. HH экситонные состояния в этих КЯ являются очевиднымпримером двух независимых двухуровневых систем (совместно с основными со35стояниями).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
