Диссертация (1150798), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Величинаоптического поля прямо пропорциональна мощности света и степени его эллиптичности c . Зафиксировав c и , можно определить коэффициент пропорциональности между величиной оптического поля и мощностью света, например, построив зависимость площади немагнитной компоненты от мощности света. Приусловии сохранения полной площади сигнала (т. е.
когда не происходит фотогенерации носителей) и ширины немагнитной компоненты (время продольной релаксации не зависит от мощности зондирующего света) достаточно измерения амплитуды. На рисунке 5.5б изображена зависимость амплитуды немагнитной компоненты от мощности зондирующего света и её аппроксимация лоренцианом (в соответствии с формулой (5.1)). Полуширина этого лоренциана определяет значениемощности света, при котором величины и равны. Экспериментально определённое значение составляет ∼2.5 мТлмВт .
Зелёные точки обозначают соответствующее значение полной площади под графиком. При интенсивности выше 4 мВтфотоиндуцированные эффекты, как видно из панели (а), становятся существенными, поэтому измерения при бо́льших значениях не производились. На панели (б)также не представлено значение интегрального сигнала при 6 мВт в силу большой99погрешности его определения, связанной с фотоиндуцированными эффектами иограниченностью диапазона частот регистрации.Рисунок 5.5 — (а) Нормированные на мощность зондирующего света спектрышумов керровского вращения образца C7T77 при увеличении мощности (светэллиптически поляризован). (б) Суммарная площадь под графиком и амплитуданемагнитной компоненты в зависимости от мощности зондирующего света.Параметры эксперимента указаны на рисунке.5.1.4Природа «оптического» магнитного поляДля установления микроскопической природы возникающего «оптического» поля следует учесть следующие факты.
Во-первых, количественные измерения продемонстрировали идентичность отклика системы на «оптическое» и реальное продольное внешнее магнитное поле. Это позволяет заключить, что возникающий эффект связан с фотоиндуцированным изменением результирующегомагнитного поля, действующего на зондируемую систему электронов. Во-вторых,могут быть полностью исключены механизмы, связанные с поляризацией ядер: характерные времена процессов, связанных с ядерной намагниченностью в GaAs,измеряются сотнями секунд при гелиевых температурах [50; 123]. Предварительные шумовые измерения показали, что характерное время установления «оптического» поля значительно короче минимального времени накопления спектра∼ 0.3 с.
Дополнительные измерения были произведены с помощью ячейки Пок-100кельса. Поляризация зондирующего света модулировалась прямоугольными импульсами, переключаясь между линейным и эллиптическим состоянием за времяпорядка 10 мкс. Изменение поляризации было достаточным для того, чтобы прецессионный пик смещался на ∼ 1/2 своей ширины. Шумовой сигнал накапливался вузкой частотной полосе с использованием схемы, представленной на рисунке 5.6.Скорость установления оптического поля, однако, превышала временну́ю разрешающую способность этой схемы, соответствуя либо характерным скоростям релаксаций электронной системы (времена порядка десятков нс), либо, вероятнее,скоростям оптических переходов (субпикосекундные времена).Рисунок 5.6 — Модификация шумовой установки для определения скоростиустановления оптического поля.
Излучение лазера 1 пропускается через ячейкуПоккельса 2. Прямоугольными импульсами генератора сигналов 3 состояниеполяризации переключается между линейным и эллиптическим. Отражённый отобразца 4 свет регистрируется балансной схемой 5, затем детектируется среднийквадрат сигнала Δ на частоте 0 узкополосным приёмником 6. Полученныйсигнал сравнивается с исходным на двухканальном осциллографе 7. На вставкеизображён спектр сигнала при линейной поляризации света (соответствующейположению фазовой пластинки, при котором её ось совпадает с направлениемисходной поляризации, положение 0∘ ) и эллиптической (поворот на 4∘ ) и указанавеличина Δ на частоте 0 .Наконец, в соответствии с теоремой Лармора [130], утверждающей, что частота прецессии электронной системы зависит только от внешнего магнитного поля и не изменяется в результате электрон-электронного взаимодействия, флуктуирующие электроны проводимости не могут являться причиной возникновениядополнительного поля.
Таким образом, «оптическое» поле могло бы быть созданоиной системой поляризованных частиц, таких как локализованные электроны или101фотовозбуждённые дырки. Такой механизм, однако, также не может быть причиной формирования поля в данных экспериментах, поскольку ему противоречат два факта.
С одной стороны, в подобных системах время жизни локализованных электронов и созданных светом дырок не превышает 10 пс [131], поэтомустепень спиновой поляризованности этих подсистем пренебрежимо мала. Болеетого, поляризационный механизм предполагает наличие существенного поглощения электромагнитного излучения, однако в поставленном эксперименте образецзондируется в области прозрачности, и резонансное поглощение крайне мало.
Сдругой стороны, если в образце присутствует независимая спиновая подсистемас долгими временами релаксации, в которой может быть достигнута существенная степень поляризации, то эта поляризация должна обнаруживать чувствительность к поперечному магнитному полю (эффект Ханле), приводя к ослабеваниюпродольной компоненты поля и увеличению ортогональной компоненты .В эксперименте же такого эффекта не наблюдается.Всё вышесказанное позволяет сделать вывод, что оптическое поле в системеформируется в результате непосредственного действия электромагнитного излучения, а именно влияния динамического эффекта Штарка (ac Stark effect) [132].Зонная структура кристалла изменяется в переменном электромагнитном полевысокой амплитуды, приводя к различному сдвигу электронных и дырочных уровней: эффективность перехода из состояния валентной зоны со спином −3/2 в состояние −1/2 оказывается выше, чем переход −1/2 → 1/2, что приводит к возникновению расщепления между электронными состояниями ±1/2, которое эквивалентно возникновению эффективного магнитного поля, действующего на электронную систему.
Теоретическая оценка величины возникающего эффективного поляв рамках модели, детали которой представлены в приложении В, приводит к значению теор. ≈ 17 мТл/мВт. Несмотря на то, что экспериментально определённоезначение расходится с теоретически рассчитанным на порядок величины, совпадение может считаться удовлетворительным, поскольку заложенные при расчёте параметры (в частности, фактор усиления структуры и распределение поля вмежзеркальном промежутке) являются чисто оценочными, так как не могут бытьопределены в эксперименте непосредственно.1025.2Проявление динамики ядерной поляризации в спектрах спиновых шумовэлектроновПомимо эффективного оптического магнитного поля, возникновение которого можно считать в экспериментальных временны́х рамках мгновенным, в спектрах прослеживалась также медленная динамика, характеризующаяся временамиот десятков до сотен секунд. Такие времена релаксации характерны для процессов ядерной поляризации [50; 123].
Наблюдаемое в эксперименте медленноесмещение прецессионного пика обнаруживало присутствие локального магнитного поля в зондируемой точке, порождённого оптически ориентированными ядрами. Накачка ядер при этом возникала в условиях зондирования эллиптически поляризованным светом высокой интенсивности. Несмотря на то, что в аналогичных условиях появлялось и оптическое магнитное поле, эти два явления можно считать не зависящими друг от друга. Возникновение оптического магнитного поля за счёт динамического эффекта Штарка не вызывает реальной поляризации какой-либо спиновой подсистемы образца и не связано с процессами передачи энергии и момента [132].
Оптическая ориентация ядер, напротив, не может происходить в отсутствие реального поглощения энергии в образце [30; 133].Оптическое поглощение объёмного -GaAs с концентрацией электронов за переходом диэлектрик-металл характеризуется длинным «хвостом» поглощения, вызванного влиянием хаотически распределённых электрических полей примесныхатомов [110, гл.
XIX, §5]. На практике поглощение -легированного GaAs с концентрацией электронов ≈ 2 · 1016 см−3 резко падает в области длин волн & 833 нм, однако слабое остаточное поглощение в условиях многократногопрохождения света через резонаторный объём может иметь место. На рисунке 5.7представлены спектры отражения образца T695 при различных мощностях зондирующего света.
Отсутствие заметного изменения добротности резонатора с увеличением мощности свидетельствует о том, что поглощение весьма незначительно,составляя во всяком случае не более одного процента, однако, как будет показанониже, этого достаточно для возникновения наблюдаемых эффектов.Состояние ядерной подсистемы характеризуется температурой ядер Θ .Состоянию какой-либо системы с отрицательной температурой соответствует такое распределение, в котором вероятность нахождения на высокоэнергетическом103Рисунок 5.7 — Вид спектров отражения образца T695 при различных значенияхмощности зондирующего света.
На вставке приведены значения полуширинырезонанса от мощности.уровне выше, чем на низкоэнергетическом. В данной системе отрицательной температуре ориентированных ядерных спинов Θ < 0 соответствует поле Оверхаузера , сонаправленное со внешним магнитным полем ( ↑↑ ), и наоборот —при положительной температуре ядерных спинов Θ > 0 поля антипараллельны [134]. Знак охлаждения, сообщаемого ядерной системе, зависит от направления внешнего магнитного и знака циркулярной поляризации накачивающего света [30].Для исследования динамики ядерной поляризации система предварительнонакачивалась мощным (5-40 мВт) пучком циркулярно поляризованного зондирующего света с длиной волны 833.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
