Диссертация (1150798), страница 3
Текст из файла (страница 3)
И. Н. Уральцева, кафедр фотоники и физикитвёрдого тела Санкт-петербургского государственного университета, а также насеминарах ресурсного центра «Нанофотоника».Личный вклад. Экспериментальные результаты, представленные в главах 4и 5, полностью получены лично автором. Результаты экспериментов раздела 3.3получены совместно с С. В. Полтавцевым при активном участии автора. Авторпринимал непосредственное участие в постановке эксперимента 3.1 и в созданиис нуля установки спектроскопии спиновых шумов в лаборатории оптики спинаим.
И. Н. Уральцева, на которой выполнена основная часть работы; доработкаустановки для выполнения экспериментов глав 4–5 осуществлена автором самостоятельно. Автор принимал активное участие в обсуждении, анализе и интерпретации экспериментальных результатов, а также в подготовке публикаций по темеработы.
Постановка целей и задач работы была выполнена автором совместно сВ. С. Запасским и Г. Г. Козловым. Также автором было произведено численное моделирование случайных процессов для иллюстрации теоремы Винера—Хинчина.Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 10 печатных работах, 6 из которых изданы в журналах, включенных в систему цитирования Web of Science:1. Resources of polarimetric sensitivity in spin noise spectroscopy / P.Glasenapp, A.
Greilich, I. I. Ryzhov и др. // Phys. Rev. B. — 2013. — Окт. —Т. 88, вып. 16. — С. 165314.2. Spin noise spectroscopy of a single quantum well microcavity / S. V.Poltavtsev, I. I. Ryzhov, M. M. Glazov и др. // Phys. Rev. B. — 2014. — Февр.— Т. 89, вып. 8. — С. 081304.3. Optics of spin-noise-induced gyrotropy of an asymmetric microcavity / S. V.Poltavtsev, I. I. Ryzhov, R. V.
Cherbunin и др. // Phys. Rev. B. — 2014. —Май. — Т. 89, вып. 20. — С. 205308.4. Spin noise amplification and giant noise in optical microcavity / I. I. Ryzhov,S. V. Poltavtsev, G. G. Kozlov и др. // Journal of Applied Physics. — 2015. —Т. 117, No 22. — С. 224305.5. Measurements of nuclear spin dynamics by spin-noise spectroscopy / I. I.Ryzhov, S. V. Poltavtsev, K. V. Kavokin и др. // Applied Physics Letters. —2015.
— Т. 106, No 24. — С. 242405.126. Spin noise explores local magnetic fields in a semiconductor / I. I. Ryzhov, G.G. Kozlov, D. S. Smirnov и др. // Scientific Reports. — 2016. — Февр. —Т. 6. — С. 21062.4 работы представлены в тезисах докладов, список которых приведён в предыдущем параграфе.Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,заключения и трёх приложений. Полный объём диссертации составляет 136 страниц с 42 рисунками. Список литературы содержит 146 наименований.Содержание работы. Во введении сформулирована цель работы, задачи,решённые для достижения цели, представлены защищаемые положения, новизнаи значимость работы, указан личный вклад автора, а также приведён список публикаций и представлений работы на конференциях.Первая глава посвящена аналитическому обзору литературы и призванаосветить исторические предпосылки развития метода спектроскопии спиновыхшумов, определить его место среди других исследовательских техник, подчеркнуть основные особенности метода, а также очертить направление исследований,приведших к постановке задачи настоящей работы.Вторая глава содержит рассмотрение необходимых базовых принципов, накоторых основывается техника спектроскопии спиновых шумов, а также методологию эксперимента: свойства наблюдаемого сигнала в зависимости от геометрииустановки и параметров зондирующего пучка и рассмотрение вопроса о фундаментальной чувствительности поляриметрических экспериментов.Третья, четвёртая и пятая главы посвящены оригинальным экспериментальным исследованиям методом спектроскопии спиновых шумов трёх различныхобъектов, а именно: объёмного слоя -GaAs, образца, содержащего GaAs/AlGaAsквантовую яму в микрорезонаторе, и объёмного слоя -GaAs в микрорезонаторе.В заключении представлены основные результаты и выводы работы.Приложение А содержит описание модели, использованной для иллюстрации теоремы Винера—Хинчина.
Приложения Б и В посвящены краткому изложению теоретических моделей, описывающих свойства спектра спиновых шумоводиночной квантовой ямы в микрорезонаторе и механизм возникновения светоиндуцированного магнитного поля в GaAs.13Глава 1. Аналитический обзор литературыПредпосылкой для изучения спонтанных флуктуаций в системах микроскопических частиц можно считать обнаружение Р.
Броуном в 1827 году хаотического движения частиц пыльцы в жидкости. В 1905 г. А. Эйнштейн в теоретическойработе [6], посвящённой броуновскому движению, пришёл к важному фундаментальному выводу о том, что случайные силы, порождающие хаотические движениявзвешенной в жидкости частицы, вызывают также и сопротивление направленному перемещению этой частицы сквозь среду. Иными словами, флуктуации положения частицы и диссипативные силы трения в среде имеют одну и ту же природу.Более строгая и общая формулировка этой связи носит название флуктуационнодиссипационной теоремы, предложенной в 1928 г. Г. Найквистом [7] при теоретическом описании работы Д.
Б. Джонсона [8]. В этой работе были экспериментально обнаружены зависящие от температуры спонтанные флуктуации напряженияна контактах проводника, которые, как показала работа Г. Найквиста, связаны схаотическим тепловым движением носителей заряда. Таким образом, спонтанныефлуктуации параметров системы частиц носят тот же характер, что и отклик этихпараметров на малое возмущение [9], то есть могут быть рассмотрены как откликна воздействие теплового резервуара. Теорема Винера—Хинчина [10; 11] устанавливает связь между временно́й зависимостью амплитуды шумового сигнала испектром мощности шумов через автокорреляционную функцию:∫︁ =⟨() * ( + )⟩ d,(1.1)где — спектральная плотность мощности зависящей от времени функции (),к примеру, амплитуды электромагнитного поля.
Фактически это означает, чтоспектр шумов изучаемой системы будет обнаруживать особенности на характерных частотах резонансов восприимчивости этой системы.Применительно к реальной физической системе, такой как газ, жидкость илитвёрдое тело, следует указать, о движениях каких частиц и о силах какой природыможет идти речь. В рамках данной работы рассматриваются движения носителейзаряда в полупроводниковых структурах, связанные с их спиновыми степенямисвободы, и оптические методы регистрации этого движения — спиновой прецессии.
Частоты такой прецессии (частоты магнитного резонанса) в условиях пред-14ставленных экспериментов лежат в радиодиапазоне (от КГц до ГГц). Этим частотам соответствуют колебания магнитных моментов, в силу закона Ампера представимых в виде элементарных токов. В частности, наличие у частиц собственного магнитного момента [12] является причиной энергетической неэквивалентности различных относительно внешнего магнитного поля ориентаций, что приводитк дискретному, в силу квантования момента [13], расщеплению энергетическогоспектра системы.Теоретически возможность регистрации магнитного резонанса в спектреспонтанных флуктуаций была предсказана в 1946 г. Ф.
Блохом в работе [14, с. 461],где автор указал на то, что макроскопический магнитный момент ядер атомов√будет испытывать флуктуации, пропорциональные . Применительно к атомным ядрам, однако, эта идея была воплощена только в 1985 г. Т. Слитором идр. [15], в которой квадрупольный резонанс ядер хлора, охлаждённых до температуры жидкого гелия, был зарегистрирован в джонсоновских шумах с использованием СКВИД-магнитометра. В дальнейшем была продемонстрирована возможность шумовой спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) при помощиобычного ЯМР-спектрометра на органических образцах при комнатной температуре [16] и на протонах воды [17], а сравнительно недавно — и возможность томографирования с применением шумовой методики [18].Ближайшим «родственником» явления ЯМР является электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), открытый в 1944 г.
Е. К. Завойским. Аналогично ЯМР,в ЭПР наблюдается резонансное поглощение радиочастотного электромагнитногополя парамагнитными веществами, помещёнными в постоянное магнитное поле.Принципиальное различие между этими двумя явлениями заключается, как следует из их названий, в том, что в случае ЯМР поглощение энергии осуществляется ядерной подсистемой, а в случае ЭПР — подсистемой электронной. Отсюда следуют и рамки применимости, и технические требования к ЯМР- и ЭПРспектрометрам.
Ядерные магнитные резонансы отличаются высокой добротностью (а следовательно, и узкими спектральными линиями) и весьма низкими, посравнению с электронными, ларморовскими частотами. Спектроскопия ЯМР может применяться для весьма широкого класса веществ, поскольку многие ядра, втом числе и протий, обладают магнитным моментом. ЭПР-спектроскопия обладает несколько более узкими рамками применимости в области структурного анализа молекул в силу того, что сравнительно небольшое количество веществ обладает15неспаренным электроном в оболочке, но при этом незаменима для анализа электронного строения веществ.
Возникновение ЭПР-спектроскопии дало мощный импульс развитию различных отраслей науки, в первую очередь биологии, химии ифизики, обеспечив широчайшие возможности исследования свободных радикалови парамагнитных центров (собственных и примесных) в кристаллах и стёклах. Количество публикаций, посвящённых ЭПР или исследованиям с применением этогометода, исчисляется сотнями тысяч, поэтому представляется разумным осветитьтолько ряд работ, имеющих близкое отношение к тематике настоящего исследования.В десятилетия, последовавшие за открытием ЭПР, было выполнено значительное количество работ по регистрации этого явления в различных средах, втом числе и в полупроводниках. Впервые ЭПР в полупроводниковой структуре был зарегистрирован на образце легированного мышьяком кремния в 1954 г.Флетчером и др.
[19], затем в том же году метод ЭПР был применен для достижения почти абсолютной поляризации ядер мышьяка в аналогичном образце [20]. В1963 г. впервые была осуществлена ЭПР-спектроскопия -легированного арсенида галлия (GaAs) в работе [21], в которой были обнаружены предсказанные ранеерезонансы с -факторами около 0.5 и 1.2, приписываемые соответственно свободным электронам и электронам, локализованным на глубоких донорах. Стоит отметить, что прямое применение ЭПР-спектроскопии к GaAs затруднено в силубольшой ширины резонансов и некоторых технических ограничений метода [22].В частности, величина и знак -фактора электронов в зоне проводимости, экспериментально полученные в работе [21], оказались неверными (правильным можносчитать значение −0,44 ± 0,02 [22]).Классическая ЭПР-спектроскопия успешно применялась и продолжает применяться к объёмным полупроводниковым образцам (в том числе и к GaAs,см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
