Диссертация (1149960), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Для этого фотонная модарезонатора по энергии должна находиться немного ниже экситонного резонансав квантовой яме в точке согласования импеданса.1.4Спиновые явления в системах с непрямыми экситонамиКак было показано выше, экситоны имеют огромное значение для оптических свойств квантовых ям вблизи края фундаментального поглощения. Междутем, из-за электрон-дырочного обменного взаимодействия времена их спиновой релаксации обычно невелики, в пределах нескольких десятков пикосекунд.При этом возможно уменьшить обменное взаимодействие и увеличить времяспиновой релаксации, а также время жизни экситона, если пространственноразделить электрон и дырку.
Это можно сделать с помощью электрическогополя в широкой квантовой яме благодаря искажению потенциала ямы. Болеепрямой способ — поместить электрон и дырку в разные, но близко расположенные (на расстоянии нескольких нанометров) квантовые ямы. В таком случаеквантовые ямы обычно делают узкими. Получившуюся структуру называютдвойной квантовой ямой.
Экситоны из электрона и дырки в одной квантовойяме называются прямыми. Экситоны, электрон и дырка которых находятся вразных квантовых ямах, называются непрямыми. Благодаря меньшему перекрытию волновых функций непрямые экситоны обладают намного меньшейсилой осциллятора и намного большим временем жизни. Так, в работе [42] время жизни прямых экситонов было равно примерно 1 нс, в то время как времяжизни непрямых экситонов изменялось от 5 нс до 30 нс в зависимости от приложенного вдоль оси роста квантовых ям электрического поля.22В двойных квантовых ямах экситонные состояния представляют собой суперпозицию обычных прямых экситонов внутри одной квантовой ямы и непрямых экситонов, когда электрон и дырка локализованы в разных квантовыхямах, рис. 4.1(b, c).
Этим смешиванием можно управлять внешним электрическим полем. Соответствующие экситонные энергии и силы осциллятора могутбыть точно рассчитаны, если решить уравнения Шредингера для различныхнапряжений затвора [40]. Пример такого расчета для типичного образца с двойными квантовыми ямами приведен на рис. 4.1(a), на котором показана цветоваякарта экситонного поглощения в структуре с двойной квантовой ямой в осяхэнергия — затворное напряжение. Поглощение обратно пропорционально времени жизни экситона.
Можно видеть, что при нулевом напряжении основнымэкситонным состоянием является прямой экситон, а непрямой экситон имеетбо́льшую энергию. Затем при увеличении электрического поля энергия непрямого экситона начинает уменьшаться, пока не сравняется с энергией прямого.В этой точке наблюдается антипересечение, проявление связи между прямыми непрямым экситонами. Чем ближе энергии прямого и непрямого экситонов,тем сильнее смешивание между ними. При дальнейшем увеличении напряженияэнергия непрямого экситона продолжает уменьшаться, и именно он становитсяосновным экситонным состоянием.Спиновая динамика прямых экситонов в одиночных квантовых ямахGaAs/AlGaAs активно исследовалась ранее.
Было обнаружено, что спиновоевремя жизни чистого прямого экситона короткое, около 50 пс. Действительно,важной причиной спиновой релаксации прямого экситона является флуктуирующее эффективное магнитное поле, которое возникает из-за компоненты обменного взаимодействия, зависящей от импульса [41]. Флуктуации из-за рассеянияцентра масс экситона ответственны за экситонную спиновую релаксацию таким же образом, как и любые процессы двигательного сужения с переворотомспина, с характерным временем спиновой релаксации, обратно пропорциональным времени рассеяния импульса.
Для чистого непрямого экситона обменноевзаимодействие пренебрежимо мало из-за незначительного перекрытия волновых функций электрона и дырки, и таким образом флуктуирующее обменноеполе, зависящее от волнового вектора, не влияет на спиновую релаксацию.Вследствие этого время релаксации поляризации излучения непрямых экси-23тонов превышает соответствующее время для прямых экситонов на порядкии достигает десяти наносекунд. Степень поляризации и время релаксации поляризации уменьшаются с увеличением экситонной плотности и температуры.Наблюдалось также перемещение поляризованных по спину непрямых экситонов на несколько микрометров в плоскости образца [51].
При низких экситонных плотностях, спиновое время жизни непрямого экситона может быть дажебольше, чем время спиновой релаксации двумерного электронного газа , такжеприсутствующего в несимметричных двойных квантовых ямах [42]. Такая разница существует в основном из-за более сильной локализации непрямых экситонов в неоднородностях потенциала квантовой ямы по сравнению с двумернымэлектронным газом или прямыми экситонами.
Изменение спинового временижизни экситонов с изменением напряжения затвора может объясняться смешиванием между чистым состоянием прямого экситона, характеризующимсябыстрой релаксацией, и чистым состоянием непрямого экситона с медленнойспиновой релаксацией [42].Для создания оптоэлектрических приборов, основанных на спиновых состояниях экситона, важно иметь контроль над этими состояниями, в частностис помощью приложения магнитного поля. Эффект магнитного поля на экситоны Ванье-Мотта изучался с конца 50-х годов XX века. Эллиотт и Лодон [30]теоретически рассчитали коэффициенты поглощения для объемных полупроводников в области фундаментального края поглощения с учетом экситонныхэффектов в сильном магнитном поле и без него.
Работы Хасегавы и Ховарда[31], Горькова и Дзялошинского [32] описывают диамагнитный энергетическийсдвиг и тонкую структуру объемных экситонов. Лернер и Лозовик расширилиэти исследования на двумерные системы, включая квантовые ямы [33]. Позжеподробная теория была разработана для магнито-экситонов в асимметричныхквантовых ямах, в которых могут существовать как пространственно прямые,так и непрямые экситоны Было показано, что совместное действие перпендикулярного к плоскости образца электрического поля и направленного в плоскостимагнитного поля может сильно изменить дисперсию экситона.
А именно, магнитное поле в плоскости смещает дисперсии состояний непрямых экситонов вобратном пространстве. Схематически такое смещение показано на рис. 4.1(d,e) [34–36]. Кроме того, магнитные поля сильно изменяют силу осциллятора24экситонов, то есть его способность поглощать или испускать свет, как былопоказано в основополагающей работе Томаса и Хопфилда [37]. Из-за противоположных ориентаций лоренцевских сил, действующих на электрон и дырку,в присутствии магнитного поля движущийся экситон приобретает стационарный дипольный момент. Это и является магнитным эффектом Штарка, изученным в различных полупроводниковых системах [37; 38].
Обыкновенный эффектШтарка усилен в двойных полупроводниковых квантовых ямах по сравнениюс одиночными квантовыми ямами [39].Системы с магнитным полем, приложенным в плоскости двойной квантовой ямы, образуют обширное поле для исследований спиновой динамики,которую определяет комбинация магнитного и обычного эффектов Штарка,неоднородностей, различных взаимодействий и подвижности. Одной из целейданной работы было изучить действие магнитного и электрического полей наспиновую релаксацию экситонов в двойных квантовых ямах, определить механизмы спиновой дефазировки и найти оптимальную структуру образцов смаксимальным временем спиновой когерентности.25Глава 2. Экспериментальные установки2.1Методика накачка-зондирование с полным анализомполяризацииОсновой методики накачки-зондирования является использование двухимпульсных пучков света с регулируемой задержкой между импульсами в пучках.
Первый — накачивающий — имеет необходимую энергию фотонов и поляризацию для возбуждения нужных состояний в образце, часто относительнобольшую мощность. Может иметь достаточно широкий спектр для когерентного возбуждения суперпозиции нескольких состояний, если его длительностьсоставляет около сотни фемтосекунд. Второй пучок — зондирующий — используется для определения состояния исследуемой системы, прежде всего коэффициента поглощения и гиротропии. Для этого измеряется интенсивность, угол поворота линейной поляризации и эллиптичность отраженного либо проходящегосквозь образец пучка. Зондирующий пучок часто имеет меньшую мощность,чем возбуждающий, чтобы минимально влиять на систему.Общая схема экспериментальной установки представлена на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
