Диссертация (1149960), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Такие экситоныназывают светлыми экситонами. Соответственно, экситоны, не взаимодействующие со светом, — темными экситонами. В случае, если фотон, образовавшийсяв результате распада светлого экситона, достаточно долго находится в среде,создаются условия для его перепоглощений и образования новой квазичастицы— экситонного поляритона [4–7]. Это возможно, например, в объемных полупроводниках, где фотон оказывается в толще материала, из которого не успевает выйти. Фактически, поляритон — основная форма существования светлогоэкситона в большинстве объемных полупроводников.
Также условия для перепоглощения испущенного экситоном фотона создаются в микрорезонаторах,где фотон локализуется зеркалами с высокой отражающей способностью. Полупроводниковый микрорезонатор — это твердотельная гетероструктура, состоящая из двух брегговских полупроводниковых зеркал, имеющих очень высокийкоэффициент отражения, и резонаторного промежутка, однородного или с более сложным устройством. Между брегговскими зеркалами микрорезонаторовмогут быть помещены одна или несколько квантовых ям, квантовые точки идругие структуры. Стоит отметить, что экситонный поляритон в объемном материале и поляритон в микрорезонаторе довольно сильно различаются из-заразной размерности систем. Это влияет на обе компоненты поляритона, какна экситонную, так и на фотонную.
В частности значительно отличаются ихдисперсии, т.е. зависимости энергии от квазиимпульса. Кроме того, на частотефотонной моды в микрорезонаторе образуется стоячая световая волна и, соответственно, области сильного электромагнитного поля (пучности) и нулевогополя (узлы).Для максимизации взаимодействия света и экситона экситон должен бытьлокализован в области пучности стоячей волны микрорезонатора. Поскольку в квантовых ямах движение экситонов поперек структуры ограничено, этоприводит к возможности конверсии экситона в свет и обратно, т.е. к светоэкситонному взаимодействию. Вместе с тем, взаимодействие экситонов со свободно распространяющейся световой волной в структурах на основе GaAs без14микрорезонаторов слишком мало, чтобы обеспечить наблюдаемое экспериментально расщепление Раби [8]. Поэтому вместо сплошного слоя между зеркаламимикрорезонатора часто используют квантовую яму много меньшей толщины,чем межзеркальный промежуток.
Отметим, что в зависимости от конфигурации межзеркальный промежуток обычно равен нескольким полуволнам фотонной моды. Кроме того, сила осциллятора экситона в квантовой яме больше, чемв объемном материале [5]. Энергия фотонной моды сильно зависит от угла падения света на гетероструктуру, т.е. от проекции волнового вектора света наплоскость структуры, ‖ . Поскольку волновой вектор в плоскости квантовойямы должен сохраняться, свето-экситонное взаимодействие происходит между фотонами и экситонами с одинаковыми ‖ .
Другими словами, для данногозначения ‖ имеются две двумерные системы, между которыми и образуетсясильная связь, пока их энергии близки. Отметим, что это может происходитьв ограниченном диапазоне по ‖ , поскольку амплитуда изменения энергии фотонной моды в зависимости от ‖ очень большая, в отличие от таковой дляэкситонной дисперсии, выглядящей практически константой в этом масштабе.Сильная связь между экситонами и фотонами в микрорезонаторе впервыепродемонстрирована в статье [4]. Для этого были измерены спектры отраженияи пропускания через микрорезонатор с зеркалами из 33 и 24 пар четвертьволновых слоев GaAlAs/AlAs и -промежутком из GaAlAs с одной квантовой ямойиз GaAs шириной 76 Å.
Было обнаружено расщепление Раби при резонансефотонной моды резонатора и экситонной энергии, что и является признакомсильной связи.Наблюдение сильной экситон-фотонной связи при комнатной температуреи температуре жидкого азота было произведено в 1993 году на GaAs образце cдвумя тройными 75 Å InGaAs ямами [9]. Авторы измерили спектры отраженияот такой структуры и провели их анализ в рамках классической модели с лоренцевским осциллятором.
При 77 К расщепление Раби получилось 8.8 мэВ, при300 К - 4.5 мэВ. Классическая модель удовлетворительно описывала результатыэксперимента, за исключением ширины линии верхней поляритонной ветви принизкой температуре. Авторы предположили, что более сильное уширение происходит из-за связи с электронами в зоне проводимости, либо с возбужденнымиуровнями экситонов.151.3Спиновые состояния экситонных поляритоновЭлектрон как квазичастица в полупроводнике имеет такой же спин, как ив свободном пространстве, = ±1/2.
С дырками ситуация более сложная. Дляполупроводников с кристаллической решеткой типа цинковой обманки, в частности GaAs, валентная зона является вырожденной и состоит из зон легких итяжелых дырок, а также спин-отщепленной зоны. В данной работе изучаютсягетероструктуры на основе GaAs. В дальнейшем мы будем рассматривать только зоны легких и тяжелых дырок, поскольку спин-отщепленная зона в GaAsсдвинута вниз по энергии на 340 мэВ, т.е. на большое энергетическое расстояние по сравнению с обсуждаемыми в данной работе. В квантовых ямах дырочные состояния расщепляются вследствие эффекта размерного квантования накрамерсовы дублеты, ℎ = ±1/2 (легкие дырки) и ℎℎ = ±3/2 (тяжелые дырки).
Здесь ℎ,ℎℎ обозначает проекцию полного углового момента дырок на оськвантования, совпадающую с осью роста гетероструктуры [10]. Для краткостипроекции полного углового момента также называют спином дырок. Таким образом, экситон, состоящий из электрона и дырки, может иметь полный угловоймомент = ±1 и = ±2. Поскольку фотон может иметь только угловоймомент ±1, то, вследствие закона сохранения углового момента, оптически активны только экситоны с угловым моментом = ±1. Это и есть светлыеэкситоны, которые обсуждались выше. Соответственно, экситоны с угловыммоментом = ±2 оптически неактивны и называются темными экситонами.Светлые экситоны способны рекомбинировать с образованием фотона, атакже могут быть созданы с помощью резонансной оптической накачки.
Если падающий свет имеет циркулярную поляризацию, то будут образовываться экситоны с одинаковой проекцией углового момента, = +1 для + поляризации света и = −1 для − -поляризации. Соответственно, в гетероструктуре будет накапливаться спиновая поляризация. Такой процесс называется оптической ориентацией спинов. Поскольку электроны имеют заряд, тоих спину соответствует магнитный момент, и ориентированные по спину электроны создают намагниченность в веществе.
Такая намагниченность способнавызывать магнитооптические эффекты, как и внешнее постоянное магнитное16поле. Измеряя величину этих эффектов, можно наблюдать за спиновой поляризацией в веществе, в том числе и за ее динамикой.Одними из самых чувствительных методов изучения динамики спиновойполяризации являются методы керровского и фарадеевского вращения плоскости поляризации света [11; 12]. В микрорезонаторах, благодаря гигантскому усилению светового поля, эффекты спиновой поляризации могут приводитьк большим углам поворота поляризации световой волны. Угол фарадеевского вращения пропорционален расстоянию, пройденному светом в веществе.
Врезонаторе свет испытывает многократные переотражения от зеркал, и длинаего пути во много раз превышает длину резонаторного промежутка, приблизительно в количество раз, равное половине Q-фактора [5]. Q-фактор есть добротность резонатора, определяемая как частота фотонной моды резонатора, ,деленная на полную спектральную ширину моды, . Отметим, что, в отличие от естественной оптической активности, знак эффекта Фарадея зависит отнаправления магнитного поля или спиновой поляризации, а не от направленияраспространения света. Соответственно, при проходе света в прямом и обратном направлениях угол вращения накапливается, а не компенсируется. Такимобразом, эффект усиливается при каждом проходе через резонатор, и результирующее фарадеевское вращение становится во много раз больше по сравнениюс единичным проходом.В геометрии на отражение усиление керровского вращения в микрорезонаторе происходит не только из-за усиления взаимодействия между светом и веществом.
Важную роль играет также резкое изменение фазы отраженного светав зависимости от его частоты в области фотонной моды, которое наблюдаетсядаже для оптически неактивного ("пустого") микрорезонатора. Угол керровского вращения для данной длины волны определяется разницей между фазамикоэффициента отражения двух циркулярных поляризаций. В зависимости отчастоты такая разница фаз будет появляться на тех участках, где наблюдаются спектральные особенности фазы, причем различные для поляризаций + и − .
В первую очередь эти спектральные особенности могут испытывать частотный сдвиг в разных поляризациях. Если же зафиксировать частотный сдвиг,то угол керровского вращения будет определяться крутизной хода зависимостифазы от оптической частоты. Увеличение коэффициента отражения зеркал, т.е.17добротности резонатора, позволяет увеличить градиент фазы отраженного света по оптической частоте [13]. Соответственно, угол керровского вращения вэтом случае также будет расти. В то же время интенсивность отраженного света на частоте моды резонатора может оказаться очень малой, например, приравных коэффициентах отражения обоих зеркал она равна нулю.
Тогда амплитуда измеряемого сигнала, определяемая и интенсивностью, и углом вращенияполяризации отраженного света, будет очень маленькой.Спектральное поведение фазы световой волны, отраженной от резонатораФабри-Перо с сильно отражающим задним зеркалом, что типично для полупроводниковых микрорезонаторов, определяется способом формирования отраженной волны. Она складывается из волны, отраженной от переднего зеркала, иволны, выходящей из резонатора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
