Регистрация / Вход
Прислать материал

Поляризационные эффекты и фотоиндуцированная гиротропия в Si:GaAs в микрорезонаторах

ФИО
Петров Михаил Юрьевич
Surname Name
Petrov Mikhail
Организация
Санкт-Петербургский государственный университет
Область наук
Физика и астрономия
Название доклада
Поляризационные эффекты и фотоиндуцированная гиротропия в Si:GaAs в микрорезонаторах
Project title
Polarization properties and photo-induced gyrotropy in Si:GaAs in a microcavity
Резюме
Работа посвящена исследованию поляризационных свойств света, прошедшего через структуру с полупроводниковым микрорезонатором с активным слоем GaAs, легированным кремнием. Интерес к таким структурам обусловлен возможностью создания спин-поляризованного состояния, адресация которого возможна методом оптической накачки и зондирования по фарадеевскому вращению плоскости поляризации зондирующего импульса света. В работе рассмотрен ряд особенностей, возникающих при исследовании систем с микрорезонаторами методами накачки/зондирования.
Ключевые слова
полупроводник, микрорезонатор, спин, спинтроника, фарадеевское вращение
Тезисы

Современная информационная эра сформировалась благодаря исследованиям полупроводниковой электроники и, во многом, благодаря созданию электрического транзистора, отмеченным в 1956 году Нобелевской премией по физике [1]. Транзистор сегодня является ключевым звеном всех компьютерных микросхем, даже спустя более полувека. Тем не менее, также очевидно, что экспоненциальный рост числа транзисторов на одной микросхеме не может продолжаться бесконечно. Миниатюризация электроники подходит сейчас к той точке, когда перенос электрического заряда больше не может быть столь эффективным, как ранее, просто потому что на расстояниях порядка 10 нанометров (это характерное значение техпроцесса современной микроэлектроники) начинают все большую роль играть квантово-механические явления, в частности, явление туннелирования заряда. Логическая ячейка, позволяющая определить булевы состояния 0 и 1 на физическом уровне как присутствие и отсутствие заряда больше не может быть столь же эффективной.

В начале XX века в обиход исследователей входит новое направление электроники, так называемая спиновая электроника или спинтроника [2]. Спинтроника оперирует дополнительным свойством электрона, а именно его собственным механическим моментом — спином. Электронный спин связан с магнитным моментом, который для невзаимодействующего электрона может принимать два значения, спроектированные на ось наблюдения “вверх” и “вниз”. Эти состояния также можно использовать в качестве базиса для реализации компьютерных операций и создания ячеек памяти. Наиболее известным устройством, использующим магнитный момент множества спинов в качестве ячейки памяти является хорошо всем известный жесткий диск. В основе его работы лежит эффект гигантского магнитосопротевления, возникающий в слоистых системах, состоящих из чередующихся слоев ферромагнитных материалов с подключенными к ним электродами и слоев немагнитных металлов. Эффект состоит в существенном изменении электрического сопротивления структуры при изменении взаимного направления намагниченностей в соседних ферромагнитных слоях. Открытие эффекта гигантского магнитосопротивления также было отмечено Нобелевской премией по физике в 2007 году [3].

Современные исследования в области спинтроники сосредоточены на попытках создания устройств, оперирующих малым числом спинов, единичными элементарными магнитными моментами. В полупроводниках адресация спина может производиться оптическими методами, благодаря эффекту оптической ориентации, заключающемуся в наличии неодинаковых вероятностей рождения электронов со спинами “вверх” и “вниз” при поглощении полупроводником света циркулярной поляризации [4]. Это позволяет полностью оптическим методом создавать спиновую поляризацию электронов в широком классе парамагнитных полупроводников, среди которых наиболее известным является арсенид галлия. Исследования полупроводниковых наноструктур — квантовых ям и квантовых точек, использующих эффект размерного квантования движения электронов для пространственной локализации электронов в плоскости или по всем трем направлениям — показали возможность не просто создавать макроскопическую спиновую намагниченность в структуре, но также создавать так называемые когерентные суперпозиционные состояния и считывать их по прошествии достаточно длинных промежутков времени. Эти исследования приближают нас к созданию квантовых компьютеров, в основе работы логических ячеек которого будет заложено использование квантово-механически запутанных спиновых состояний. Исследования в этой области проводятся рядом ведущих мировых научных центров в США, ЕС, РФ, Японии, Китае и др. странах. 

Доклад посвящен обзору оригинальных исследований, проводимых в лаборатории оптики спина СПбГУ, где был реализован ряд современных экспериментальных методик, позволяющих осуществлять экспериментальные исследования спиновой динамики с высоким поляризационным и временным разрешением. Основными объектами исследований являются полупроводниковые микрорезонаторы, представляющие собой слоистые структуры полупроводниковых материалов, обладающих различными показателями преломления света. Технологии эпитаксиального роста кристаллов позволяют прецизионно (с точностью до одного атомного слоя) напылить один слой полупроводникового материала на подложку из другого полупроводника сколь угодно много раз (при согласовании постоянных кристаллической решетки), благодаря чему можно сделать структуру с брэгговским интерференционным зеркалом, обладающим коэффициентом отражения света, близким к 100%. Микрорезонатором называется структура, состоящая из двух брэгговских отражателей с заключенным между ними межзеркальным промежутком [5]. Помещая наноструктуру или примесные центры внутрь межзеркального промежутка микрорезонатора, можно многократно усилить взаимодействие света со спинами электронов. Добротность современных микрорезонаторов на основе материалов GaAs/AlAs составляет порядка Q=30000.

Современные исследования легированных полупроводниковых структур GaAs основаны на наблюдении магнитооптического эффекта Фарадея, приводящего к вращению плоскости поляризации линейно поляризованного света при прохождении через структуру с ориентированными спинами. Сверхчувствительные поляриметрические методики, основанные на методах синхронного детектирования и оптического гетеродинирования, принцип работы которых будет описан в докладе, позволяют наблюдать углы фарадеевского вращения вплоть до сотых долей миллирадиана, что позволяет наблюдать спиновую динамику малого числа спинов.

 

Особенностью исследования структур, заключенных в полупроводниковых микрорезонаторах является многократное усиление всех поляризационных эффектов, возникающих при прохождении света через вещество. Это могут быть простое статическое двулучепреломление и фотоиндуцированная гиротропия. В докладе будут рассмотрены физические механизмы, приводящие к существенному усложнению поляризационных свойств микрорезонаторов и усложняющих интерпретацию экспериментальныхрезультатов по наблюдению фарадеевского вращения. Пример динамики ядерной спиновой релаксации, наблюдаемой при изучении фарадеевского вращения, показан на рис. 1. Теоретическая интерпретация результатов, тем не менее, оказывается возможной с использованием формализма матриц переноса, позволяющих описать распространение света в слоистых структурах [6].

Рис. 1. (а) Спектр пропускания света эллиптической поляризации структуры с микрорезонатором GaAlAs/GaAs, обладающим Q-фактором Q=30000. Две собственные моды микрорезонатора показаны линиями черного и красного цветов. (b) Динамика фарадеевского вращения в реальном времени, зарегистрированная после продолжительной оптичекой накачки системы до состояния с положительной (голубая кривая) и отрицательной (красная кривая) спиновой температуры. Спиновая релаксация сопровождается двухэкспоненциальным процессом размагничивания (черные кривые) с характерными временами, указанными на графике. (c) Кривая стационарного фарадеевского вращения как функция поперечного магнитного поля (черная кривая) и ее аппроксимация лоренцевским контуром (серая кривая), характеризующая развал электронной спиновой поляризации (эффект Ханле). Цифрами обозначены характерные точки зависимости, наблюдаемые в динамике фарадеевского вращения, представленной на панели (b). 

 

Литература

[1] “The Nobel Prize in Physics 1956”. NobelPrize.org. Nobel Media AB. Retrieved December 7, 2014.

[2] S.A. Wolf, D.D. Awschalom, R.A. Buhrman, J.M. Daughton, S. von Molnar, M.L. Roukes, A.Y. Chtchelkanova, and D.M. Treger, “Spintronics: A Spin-Based Electronics Vision for the Future”, Science 294, 1488 (2001).

[3] “The Nobel Prize in Physics 2007”. NobelPrize.org. Nobel Media AB. Retreived February 27, 2011.

[4] “Optical Orientation”, Edited by B.P. Zacharchenya and F. Meire (North-Holland, Amsterdam 1984).

[5] R. Houdre, C. Weisbuch, R.P. Stanley, U. Oesterle, P. Pellandini, and M. Ilegems, “Measurement of Cavity-Polariton Dispersion Curve from Angle-Resolved Photoluminescence Experiments”, Physical Review Letters 73, 2043 (1994).

[6] Pochi Yeh, “Optical Waves in Layered Media”, 2nd Ed. (John Wiley & Sons, New Jersey, 2005).

Summary of the project
The project is aimed at the investigation of the Faraday rotation in a semiconductor microcavity with an active layer of n-doped GaAs.
Keywords
semiconductor, microcavity, spin, spintronics, Faraday rotation