Диссертация (1149960)
Текст из файла
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТУДК 538.958На правах рукописиМихайлов Андрей ВалерьевичОПТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА ПРЯМЫХ ИНЕПРЯМЫХ ЭКСИТОНОВ ВПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХСпециальность 01.04.10 —«Физика полупроводников»Диссертация на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:д. ф.-м. н., доцентИгнатьев Иван ВладимировичСанкт-Петербург — 20162ОглавлениеСтр.Введение . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4Глава 1. Развитие исследований оптической и спиновойдинамики экситонов (обзор литературы) . . . . . . . . . .101.1 Исследования динамики намагниченности вещества с помощьювремя-разрешенных эффектов Фарадея и Керра . . . . . . . . . .111.2 Экситонные поляритоны в микрорезонаторе . . . . . . . . . . . .121.3 Спиновые состояния экситонных поляритонов .
. . . . . . . . . .151.4 Спиновые явления в системах с непрямыми экситонами . . . . . .21Глава 2. Экспериментальные установки . . . . . . . . . . . . . . . .252.1 Методика накачка-зондирование с полным анализом поляризации 252.2 Методика накачка-зондирование с использованием большихмагнитных полей и независимой фильтрацией длин волннакачивающего и зондирующего пучков . . . . . . . . . . . .
. . .27Глава 3. Керровское вращение в полупроводниковоммикрорезонаторе c квантовой ямой . . . . . . . . . . . . .333.1 Проведенный эксперимент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .333.2 Обсуждение результатов и моделирование . . . . . . . . . . . . . .453.2.1Модель. . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .453.2.2Обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46Глава 4. Спиновая динамика экситонов в двойных квантовыхямах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .504.1 Проведенные эксперименты .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .514.2 Обсуждение результатов и моделирование . . . . . . . . . . . . . .534.2.1Моделирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .594.2.2Анализ уравнения Линдблада . . . . . . .
. . . . . . . . . .644.2.3Микроскопический анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6734.2.4Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70Список публикаций . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72Список рисунков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80Список таблиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .854ВведениеОптические исследования экситонов в полупроводниковых гетероструктурах вызывают интерес как с точки зрения фундаментальных свойств, таки с точки зрения различных прикладных применений. Интенсивное развитиетехнологии изготовления полупроводниковых систем, в первую очередь, технологии молекулярной пучковой эпитаксии, привело к созданию структур сограниченной размерностью: квантовых ям, квантовых точек и других.
Фундаментальные физические свойства таких структур радикально отличаются отсвойств объемных материалов. Важным технологическим и научным направлением является создание и исследование гетероструктур с микрорезонаторами, вкоторых происходит значительное, в десятки и сотни раз, усиление взаимодействия света с электронами и экситонами в резонаторном промежутке. Сильнаясвязь экситонов с резонаторной фотонной модой приводит к образованию смешанных свето-материальных квазичастиц — поляритонов. Существенно, чтопри использовании микрорезонатора активно применяемые для изучения спиновой динамики магнито-оптические эффекты Керра и Фарадея могут бытьмногократно усилены.
Таким образом становится возможно очень быстро, занесколько пикосекунд, изменять поляризацию отраженного или проходящегосвета, используя световой импульс.Спиновые состояния поляритонов рассматривают в настоящее время какбазу для осуществления квантовых вычислений. Предполагается, что в оптимальных условиях регистрация этих эффектов в микрорезонаторе позволит фиксировать когерентную спиновую динамику единичного электрона, чтокрайне важно для такого рода применений. С использованием оптического микрорезонатора с высокой добротностью уже были обнаружены такие эффекты,как керровское вращение при поляризации спина одного электрона в квантовойточке и керровское вращение на ядерных спинах.Малое время жизни поляритонов, обусловленное высокой вероятностьюрадиационного распада прямых экситонов, способствует повышению скоростиквантовых вычислений, но препятствует долговременному хранению информации.
Увеличения времени жизни, требуемого для реализации квантовой памя-5ти, возможно добиться использованием непрямых экситонов, сформированныхпространственно разделенными электроном и дыркой. Такие экситоны характеризуются значительно большими временами спиновой когерентности. Высокаячувствительность магнито-оптических методик открывает возможность детального исследования спиновой динамики непрямых экситонов, характеризуемыхгораздо более слабым, по сравнению с прямыми экситонами, взаимодействиемсо светом.Целью данной работы являлся поиск оптимальных условий для магнитооптического исследования спиновой динамики в полупроводниковых одиночных и двойных квантовых ямах, определение динамических характеристикспиновых состояний в исследуемых системах и возможных способов управления экситонным спином.
Прямые экситоны изучены в гетероструктурах смикрорезонаторами. Непрямые экситоны — в гетероструктурах с двойнымиквантовыми ямами. Основным методом исследования является метод накачкизондирования, в том числе с детектированием поляризации отраженного света.Для прямых экситонов изучена динамика всех компонент вектора Стокса, характеризующего поляризацию детектируемого излучения. Для непрямых экситонов изучено вращение плоскости поляризации отраженного света — времяразрешенный эффект Керра.Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующиезадачи:1.
Созданиеэкспериментальныхустановокдляреализацииполяризационно-чувствительного метода накачки-зондирования2. Проведение экспериментов по исследованию поляризационной динамики прямых экситон-поляритонов в гетероструктуре с микрорезонатором.3. Проведение экспериментов по исследованию динамики непрямых экситонов в структурах с двойными квантовыми ямами под действиемэлектрического и магнитного полей.4. Построение физических моделей динамики прямых и непрямых экситонов и интерпретация экспериментально наблюдаемых явлений, в томчисле определение характерных времен жизни и спиновой релаксацииэкситонов.65. Определение экспериментальных условий и дизайна гетероструктурыс микрорезонатором для получения максимального угла керровскоговращения.Основные положения, выносимые на защиту:1.
Экспериментально реализуемые значения углов фотоиндуцированногокерровского вращения для исследованного образца с квантовой ямойиз GaAs в микрорезонаторе близки к теоретическому пределу /2.2. Условия, обеспечивающие максимальное керровское вращение, представляют собой баланс между необходимостью сделать максимальными фотоиндуцированные экситонные эффекты и минимизировать поглощение для достижения режима согласования импеданса.3. В образцах с двойными квантовыми ямами магнитный квантоворазмерный эффект Штарка приводит к смешиванию прямых и непрямых экситонов и увеличению времени спиновой релаксации экситонов.4. В присутствии электрического поля, приложенного вдоль оси ростаструктуры с двойными квантовыми ямами, наличие магнитного поляв плоскости этой структуры ведет к подавлению спиновой когерентности.
Этот эффект связан с неоднородным уширением экситонногорезонанса.Научная новизна:1. Впервые экспериментально продемонстрированы углы фотоиндуцированного керровского вращения вплоть до /2 для квантовой ямы вмикрорезонаторе.2. Впервые систематически исследованы факторы, влияющие на величину керровского вращения в микрорезонаторах с квантовыми ямами.3. Впервые продемонстрировано немонотонное поведение времени спиновой релаксации экситонов в двойных квантовых ямах при увеличениивнешнего магнитного поля в плоскости образца.4.
Впервые показано, что приложение магнитного поля в плоскости структуры с двойными квантовыми ямами, в присутствии электрическогополя вдоль её оси, ведет к эффективной дефазировке спинов непрямых экситонов.7Научная и практическая значимость. Научная значимость работызаключается в наблюдении близких к теоретическому максимуму значений угла керровского вращения для квантовых ям в микрорезонаторах, а также внаблюдении общей динамики поляризации отраженного света после фотовозбуждения образца. Проведенный теоретический анализ позволил лучше понятьпроцессы оптической спиновой поляризации и деполяризации в таких системахи сформулировать рекомендации для создания образцов, для которых можнонаблюдать рекордные значения углов керровского вращения при оптическомвозбуждении.
Кроме того была изучена динамика спиновой когерентности экситонов в двойной квантовой яме в зависимости от магнитного поля в плоскостиобразца и перпендикулярного электрического поля. В работе показано влияниесоотношения энергий прямых и непрямых экситонов на их спиновую поляризацию и действие магнитного квантово-размерного эффекта Штарка на времяспиновой релаксации экситонов. Показано, что разброс значений g-фактора экситонов в двойных квантовых ямах играет определяющую роль в дефазировкепрецессии спина непрямого экситона в магнитном поле.Практическая значимость работы заключается в том, что керровское вращение в микрорезонаторах с квантовыми ямами потенциально может бытьиспользовано для создания быстродействующих оптических переключателей.Также предполагается, что в оптимальных условиях регистрация магнитооптических эффектов в микрорезонаторе позволит фиксировать когерентнуюспиновую динамику единичного электрона, что крайне важно для квантовыхвычислений.
В образцах с двойными квантовыми ямами возможность контроля времени спиновой релаксации экситонов с помощью магнитного поля можетбыть полезна для разработки спиновых оптоэлектронных приборов.Степень достоверности полученных результатов обеспечивается их согласованием между собой и с теоретическими моделями, воспроизводимостью,использованным в работе современным оборудованием и высококачественными образцами, экспериментальной методикой накачки-зондирования, хорошоапробированной и широко используемой в современных исследованиях.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
