Магнитооптика наноструктур

Ценную и разнообразную по характеру информацию о свойствах полупроводниковых кристаллов и наноструктур можно получать, исследуя поляризацию их люминесценции, наведенную внешним магнитным полем. Метод магнитоиндуцированной поляризации люминесценции (МПЛ) хорошо дополняет метод оптической ориентации (ОО); его значение особенно велико при исследовании тех систем, где метод ОО неэффективен из-за быстрой релаксации неравновесного спина электронов и дырок (например, разбавленные магнитные полупроводники). В методе МПЛ изучаемая спиновая поляризация, как правило, является равновесной. Наводя поляризацию в спиновой системе полупроводника, магнитное поле делает люминесценцию, вообще говоря, эллиптически поляризованной. В зависимости от конфигурации конкретного эксперимента и от специфики изучаемого объекта, для исследования выбирают циркулярную (круговую) либо линейную поляризацию излучения. В методе МПЛ изучают зависимость величины (степени) этой поляризации от условий эксперимента (величины и ориентации магнитного поля, температуры и т.п.). Гибким и информативным метод МПЛ является благодаря тому, что он включает в себя целый арсенал средств и методик оптической спектроскопии. В частности, поляризацию измеряют независимо на разных участках спектра люминесценции, широко используют метод селективного оптического возбуждения и т.п.

На основе метода МПЛ сотрудники лаборатории предложили способ, позволяющий оптически регистрировать переход кристаллов разбавленных магнитных полупроводников в фазу спинового стекла [1, 2]. Для этих кубических кристаллов были впервые обнаружены проявления спиновой анизотропии [3]. Были теоретически и экспериментально изучены режимы спиновой динамики и механизмы МПЛ, связанные с пространственной локализацией экситонных состояний и с эффектом магнитного полярона, в том числе в квантовых ямах [4, 5, 6]. Продемонстрировано использование циркулярной МПЛ в качестве чувствительного термометра в низкотемпературных экспериментах [7]. С помощью линейной МПЛ была обнаружена предельно анизотропная спиновая структура дырочных состояний в наноразмерных объектах [8]. Сотрудниками лаборатории разработан и получил распространение метод угловых гармоник линейной МПЛ. Этот метод позволяет экспериментально разделять и изучать различные по происхождению вклады в МПЛ [9].

Сотрудники нашей лаборатории принимают участие в развитии нового направления оптики наноструктур - так называемой спектроскопии одиночных квантовых точек (ОКТ). Дело в том, что полупроводниковые квантовые точки - "капельки" размером всего в несколько нанометров каждая; их образование является сложным и не вполне контролируемым процессом, что ведет к неизбежному статистическому разбросу размеров, формы и всех параметров получившихся квантовых точек. Побудительным мотивом к исследованию ОКТ явилось стремление исключить влияние этого разброса на оптические спектры (так называемые эффекты неоднородного уширения). Для ОКТ типичная ширина линий оптических спектров составляет десятки микроэлектронвольт (примерно на три порядка меньше, чем макро-образцов с квантовыми точками). Это позволяет спектроскопически разрешать весьма малые энергетические расщепления линий, например тонкую структуру экситонного спектра, обусловленную обменным взаимодействием электрона и дырки. Как стало ясно со временем, еще одним важным преимуществом спектроскопии ОКТ является возможность избирательно изучать коллективные возбуждения различных типов (экситоны, положительные и отрицательные трионы, многократно заряженные экситонные комплексы, разнообразные биэкситоны и т.п.). Сложные возбуждения нередко реализуются в очень ограниченном диапазоне условий эксперимента, а для идентификации этих возбуждений техника спектроскопии ОКТ незаменима.

Методами спектроскопии ОКТ была обнаружена линейная поляризация люминесценции одиночного триона и выявлена природа квартетного расщепления линии триона в магнитном поле [10]. Найдено, что время спиновой релаксации дырки в трионе много больше времени жизни триона [11]. Обнаружен оптический спектр заряженного биэкситона в квантовой точке [12] и изучены его поляризационные свойства [13]. В квантовых точках CdSe/ZnSe обнаружено контактное взаимодействие электронов с ядрами атомов, составляющих кристаллическую решетку [14].В одиночной точке обнаружен эффект подавления динамической поляризации ядер нейтральными экситонами вследствие изотропного электрон-дырочного обмена [15]. Предсказано спонтанное упорядочение ядерных спинов при резонансом возбуждении отрицательно заряженного триона в одиночной точке [16]. На сегодня этот эффект экспериментально не обнаружен.

Статьи

1. А.В. Кудинов, Ю.Г. Кусраев, В.Н. Якимович. Поляризованная люминесценция CdMnTe во внешнем магнитном поле. ФТТ 37, 660-666 (1995).
   
   
2. Yu.G. Kusrayev, A.V. Koudinov. Magnetic Field Induced Polarization of Luminescence in Paramagnetic and Spin Glass Phases of CdMnTe. Phys. Stat. Solidi (b) 190, 315-320 (1995).
   
   
3. А.В. Кудинов, Ю.Г. Кусраев, Б.П. Захарченя, В.Н. Якимович. Анизотропия кубических полумагнитных твердых растворов Cd1-xMnxTe и энергия экситонного магнитного полярона из спектров поляризованной люминесценции. ФТТ 40, 894-896 (1998).
   
   
4. И.А. Меркулов, Д.Р. Яковлев, К.В. Кавокин, G. Mackh, W. Ossau, A. Waag, G. Landwehr. Иерархия релаксационных времен при формировании экситонного магнитного полярона в (CdMn)Te. Письма в ЖЭТФ 62, 313-317 (1995).
   
   
5. K. V. Kavokin, I. A. Merkulov, D. R. Yakovlev, W. Ossau, and G. Landwehr. Exciton localization in semimagnetic semiconductors probed by magnetic polarons. Phys. Rev. B 60, 16499-16505 (1999).
   
   
6. Меркулов И.А., Яковлев Д.Р., Кавокин К.В., Мак Г., Кун-Хайнрих В., Оссау В., Вааг А., Ландвер Г. Поляризационные характеристики люминесценции и спонтанное понижение симметрии при формировании магнитных поляронов в квантовых ямах на основе полумагнитных полупроводников. ФТТ 39, 2079-2084 (1997).
   
   
7. A.V. Koudinov, Yu.G. Kusrayev, I.G. Aksyanov. Light-induced heating effects in semimagnetic quantum wells. Phys. Rev. B 68, 085315/1-4 (2003).
   
   
8. Yu.G. Kusrayev, A.V. Koudinov, I.G. Aksyanov, B.P. Zakharchenya, T. Wojtowicz, G. Karczewski, J. Kossut. Extreme In-Plane Anisotropy of Heavy-Hole g Factor in (001)-CdTe/CdMnTe Quantum Wells. Phys. Rev. Lett. 82, 3176-3179 (1999).
   
   
9. A.V. Koudinov, N.S. Averkiev, Yu.G. Kusrayev, B.R. Namozov, B.P. Zakharchenya
   D. Wolverson, J.J. Davies, T. Wojtowicz, G. Karczewski, J. Kossut. Linear polarization of the photoluminescence of quantum wells subject to in-plane magnetic fields. Phys. Rev. B 74, 195338/1-14 (2006).
   
   
10. A.V. Koudinov, I.A. Akimov, Yu.G. Kusrayev, F. Henneberger. Optical and magnetic anisotropies of the hole states in Stranski-Krastanov quantum dots. Phys. Rev. B 70, 241305(R)/1-4 (2004).
    
11. T. Flissikowski, I.A. Akimov, A. Hundt, F. Henneberger. Single-hole spin relaxation in a quantum dot. Phys. Rev. B 68, 161309 (2003).
    
    
12. I. A. Akimov, A. Hundt, T. Flissikowski, F. Henneberger. Fine structure of the trion triplet state in a single self-assembled semiconductor quantum dot. Appl. Phys. Lett. 81, 4730-4732 (2002).
    
13. I.A. Akimov, K.V. Kavokin, A. Hundt, F. Henneberger. Electron-hole exchange interaction in a negatively charged quantum dot. Phys. Rev. B 71, 075326 (2005).
    
    
14. D. H. Feng, I. A. Akimov, F. Henneberger. Nonequilibrium nuclear-electron spin dynamics in semiconductor quantum dots. Phys. Rev. Lett. 99, 036604 (2007).
    
    
15. D. Gammon, Al.L. Efros, T. A. Kennedy, M. Rosen, D.S. Katzer, D. Park, S.W. Brown, V.L. Korenev, I.A. Merkulov. Electron and Nuclear Spin Interactions in the Optical Spectra of Single GaAs Quantum Dots. Phys. Rev. Lett. 86, 5176-5179 (2001).
    
    
16. V.L. Korenev. Nuclear spin nanomagnet in an optically excited quantum dot. Phys. Rev. Lett. 99, 256405 (2007).
    

<< К списку направлений исследований