Регистрация / Вход
Прислать материал

Полупроводниковые наноструктуры и микрорезонаторы как базовые объекты для новых информационных устройств.

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен

Информация отсутствует

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Вербин Сергей Юрьевич
Зам. руководителя работ
Кавокин Алексей Витальевич

Этапы проекта

1
21.10.2011 - 31.12.2011
2
01.01.2012 - 31.12.2012
Согласно плану, работы велись в следующих основных направлениях:
- Изучение экситон-поляритонной сверхтекучести в микрорезонаторах.
- Изучение способов генерации и контроля сверхтекучего спинового тока.
- Изучение эффектов связанных с экситон-поляритонной сверхтекучестью.
- Изучение проявлений сверхтекучих спиновых токов.
- Анализ возможности реализации сверхпроводимости в комбинированных Бозе-Ферми системах.

Были получены следующие основные результаты:
- Разработан метод генерации электромагнитного излучения терагерцового излучения, основанный на формировании сверхтекучей поляритонной фазы в полупроводниковом микрорезонаторе. Был разработан алгоритм численного расчета спектров отражения и пропускания света от многослойных полупроводниковых гетероструктур, при наклонном падении света. Была создана экспериментальная установка для исследования микрофотолюминисценци в микрорезонаторах.
- Создан алгоритм численного расчета поляритонных токов в микрорезонаторе. Созданы экспериментальная установка для исследования рамановского рассеяния света на Бозе конденсате экситонов и экспериментальный комплекс низкотемпературной спектроскопии и поляриметрии полупроводниковых наноструктур в ближнем ИК-диапазоне.
- Построена теоретическая модель формирования вихревой структуры в экситон-поляритонном конденсате, создаваемом в полупроводниковом микрорезонаторе сфокусированным лазерным излучением. Экспериментально зафиксировано наличие вихревой структуры, форма которой полностью соответствует теоретическим предсказаниям.
- Спиновые токи в когерентном газе непрямых экситонов в связанных GaAs/AlGaAs квантовых ямах экспериментально зарегистрированы с помощью техники визуализации с поляризационным разрешением. Теоретическая симуляция баллистического движения экситонов хорошо воспроизвела экспериментально наблюдаемые картины и позволила установить траектории спиновых токов электрона и дырки.
- Экспериментально зарегистрирован нелинейный аналог оптического эффекта Холла на спинах. Эффект наблюдается при нерезонансном циркулярно поляризованном возбуждении экситон-поляритонного конденсата в GaAs/AlGaAs микрорезонаторе.
- Экспериментально реализован оптический аналог кольца Ааронова-Бома для поляритонного конденсата в микрорезонаторе.
- На основании теоретического анализа сделан вывод о принципиальной возможности реализации высокотемпературной сверхпроводимости в многослойных полупроводниковых структурах с поляритонным конденсатом и двумерным электронным газом.
Развернуть
3
01.01.2013 - 31.12.2013
1. Предложен и экспериментально реализован неразрушающий, высокочувствительный и универсальный метод детектирования ядерной спиновой поляризации в полупроводниках. Метод основан на измерении нерезонансного Фарадеевского вращения плоскости поляризации света, пропускаемого через полупроводниковую структуру в области прозрачности. Высокая чувствительность метода достигается за счет помещения исследуемого слоя полупроводника в высокодобротный микрорезонатор.
2. Предложена феноменологическая модель формирования кривых Ханле, измеряемых по спектрам поляризованной люминесценции полупроводниковых наноструктур. Модель предполагает охлаждение ядерной спиновой системы через оптически ориентированный электронный спин, прецессирующий в суммарном магнитном поле, формируемом внешним полем, а также эффективными полями динамической ядерной поляризации и ядерных спиновых флуктуаций. Анализ экспериментальных данных с использованием этой модели позволяет оценить основные параметры ядерной спиновой системы.
3. Экспериментально продемонстрирована работа поляритонного усилителя с широким диапазоном, открывающего путь к транспорту поляритонов с высокой плотностью на макроскопические расстояния.
4. Реализован эффект оптического переключения в полупроводниковых микрорезонаторах в режиме сильной связи Переключение осуществляется кратковременными поляризованными импульсами света, создающими спиновые пакеты с высокой плотностью поляритонов. Спиновые пакеты перемещаются со скоростью порядка 106 м/с , контролируемой углом падения света накачки.
5. Решена задача бозонного спинового транспорта в одномерном канале. Такой канал может быть реализован на основе полупроводникового микрорезонатора с квантовой ямой в режиме сильного экситон-фотонного взаимодействия.
6. Обнаружено, что экситонные поляритоны, оптически генерируемые в полупроводниковом микрорезонаторе, выращенном в виде цилиндрического микропиллара со встроенными GaAs/AlGaAs квантовыми ямами, отчетливо демонстрируют переход в режим лазерной генерации. С помощью интерферометрических измерений установлено наличие пространственной когерентности поляритонного конденсата внутри излучающего кольца. Полученный результат проинтерпретирован как следствие дрейфа экситон-поляритонного конденсата от точки возбуждения, обусловленного отталкиванием поляритонов от экситонного резервуара.
7. Изучено сверхтекучее распространение спина по кольцу Ааронова-Бома в режиме обменного взаимодействия с локализованными в кольце электронами. Зафиксирован боголюбовский закон дисперсии для конденсата и установлено, что скорость звука в таком конденсате пропорциональна корню квадратному из числа заполнения конденсата.
8. Разработана теория спиновых флуктуаций экситонных поляритонов в полупроводниковом микрорезонаторе в условиях нерезонансной деполяризованной накачки. Установлены характеристики системы, определяющие спектр шума. Показано, что спектр спинового шума радикально сужается в режиме поляритонного лазера.
9. Исследован спектр шума оптический гиротропии высокодобротного полупроводникового брэгговского микрорезонатора с квантовой ямой при различном относительном спектральном положении фотонной моды и экситонных резонансов. Обнаружено резкое возрастание амплитуды оптического шумового спектра на участках микрорезонатора, в которых частота фотонной моды ниже частот экситонных резонансов. Эффект объясняется своеобразным критическим поведением фазовой характеристики коэффициента отражения используемого асимметричного микрорезонатора.
10. Оценена возможность использования теории Ландауэра-Буттикера для описания не зарядового, а спинового транспорта электрически нейтральных квазичастиц экситонов и экситон-поляритонов. Показано, что для описания мезоскопических и транспортных эффектов, связанных с электрически нейтральными бозонными носителями спина, такими как экситоны и экситон-поляритоны, теоретическая база должна быть полностью пересмотрена.
11. Разработаны два взаимодополняющих подхода для описания экситонных спиновых токов и текстур. Формализм спиновой матрицы плотности позволяет описывать эффекты спинового транспорта в классических экситонных газах и конденсатах невзаимодействующих экситонов, а уравнения Гросса-Питаевского описывают распространение экситонных конденсатов. В рамках разработанных подходов предсказана нетривиальная топология взаимодействующих экситонных спинов в конденсатах и предложены инструменты, позволяющие ими управлять.
12. Показана принципиальная возможность достижения рекордных критических температур перехода в сверхпроводящее состояние в гибридных Ферми-Бозе системах, таких как поляритонный конденсат-сверхпроводник.
13. Предложены две принципиальные схемы плоских микроерзонаторов, пригодных для управления взаимодействием между электронами в двумерном электронном газе через Бозе-Эйнштейновский конденсат экситон-поляритонов.
14. Теоретически рассчитаны ширина щели и критическая температура для сверхпроводящего перехода двумерных электронов, взаимодействующих с поляритонным конденсатом.
15. Экспериментально зарегистрировано резкое изменение зеемановского расщепления экситонных поляритонов в микрорезонаторе при переключении между линейным режимом, режимом поляритонного лазера и режимом фотонного лазера. Наблюдаемые эффекты проинтерпретированы в терминах неравновесного спинового эффекта Мейснера.
16. Предложена схема реализации X-ИЛИ-НЕ логических ячеек, работающих на эффекте упругого рассеяния экситонных поляритонов в планарных полупроводниковых микрорезонаторах.
17. Разработана принципиальная схема спинового интерферометра, представляеющего собой кольцо Ааронова-Бома, работающее в режиме обменного взаимодействия с локализованными в кольце электронами.
18. Продемонстрировано, что, благодаря поляризационной мультистабильности поляритонов, поляризованные сигналы можно направлять по контролируемым каналам (нейронам) в плоскости полупроводникового микро резонатора. Взаимодействие поляритонов с противоположно направленными спинами позволяет реализовать двоичные логические переключатели, работающие на поляризационной степени свободы. Несколько переключателей, заключенных в полупроводниковый микрорезонатор, могут быть интегрированы в логическую оптическую схему.
19. Разработана принципиальная схема контролируемого светом сверхпроводящего транзистора.
20. Сформулированы предложения по реализации источников когерентного излучения, основанных на конденсации экситон-поляритонов в микрорезонаторе. Показано, что полупроводниковый микрорезонатор, состоящий из квантовой ямы, зажатой между двумя зеркалами, может излучать свет с наперед заданной частотой, когерентностью и поляризацией.
Развернуть
4
01.01.2014 - 31.12.2014
В соответствии с планом, исследования на данном этапе проводились в четырех взаимосвязанных направлениях. Первым направлением исследований было изучение спиновой статистики экситон-поляритонного конденсата.
Было разработано два различных метода вычислений амплитуды спинового шума.
Обнаружено, что, для случая отсутствия магнитного поля, расчеты высокочастотной части шумового спектра, обоими методами предсказывают одинаковую динамику автокорреляционной функции спинов, определяемой, фактически, статическими ядерными полями.
Установлено, что первый пик обусловлен прецессией электронных спинов во внешнем поле, тогда как второй предположительно связан со сверхтонким взаимодействием электронного и ядерных спинов.
Обнаружено, что шумы керровского вращения на исследуемом образце демонстрируют необычную критическую зависимость от частотной расстройки между фотонной модой микрорезонатора и экситонными резонансами квантовой ямы. При отрицательных расстройках спектр шумов имеет большую амплитуду и одномодальную форму. Анализ показал, что такое критическое поведение обусловлено спецификой асимметричного резонатора Фабри-Перо. Результаты проведенных модельных вычислений коэффициента отражения оказались в хорошем согласии с экспериментальными данными по измерению спиновых шумов, а также по исследованию спектров керровского вращения методом «накачки-зондирования».
При исследовании шумов вращения плоскости поляризации света, отраженного от Брэгговского микрорезонатора с квантовой ямой зафиксировали радикальную зависимость величины сигнала от длины волны падающего света. Резкий рост шумового сигнала (более чем на два порядка) был зафиксирован в области антипересечения поляритонных ветвей. Сделан вывод, что наблюдаемый эффект обусловлен резким увеличением поляриметрической чувствительности нелинейного микрорезонатора вблизи порога возбуждения авто-осцилляций. Разработанная модель позволила адекватно описать основные особенности поведения шумового сигнала и для случая отрицательной частотной расстройки между фотонной модой резонатора и экситоном квантовой ямы. Обнаруженный эффект нелинейного усиления может быть использован для увеличения чувствительности шумовой спектроскопии.
Вторым направлением исследований на данном этапе было изучение вакуумных осцилляций Раби на экситон-поляритонном расщеплении в микрорезонаторе. Рассмотрен процесс генерации экситон-поляритонных доменов, порождающих осцилляции Раби под действием когерентных световых импульсов.
Используя результаты изучения поляритонных осцилляций Раби, предложен новый физический механизм создания долгоживущих экситон-фотонных кубитов на базе полупроводниковых микрорезонаторов со встроенной квантовой ямой.
Исследования третьего направления были нацелены на экспериментальное и теоретическое изучение ядерной спиновой динамики в квантовых ямах и квантовых точках, помещенных в микрорезонатор. На предварительном этапе исследований была изучена релаксация спинов ядер, обусловленная взаимодействием с Ферми электронами в n-легированном GaAs.Было установлено, что в образце, содержащем 9х1016 cm−3 свободных электронов, релаксация обусловлена преимущественно сверхтонким механизмом электронно-ядерного рассеяния (механизм Корринга). При таком рассеянии, время ядерной релаксации не зависит от магнитного поля и линейно растет с ростом температуры. Полученный результат позволил экспериментально подтвердить применимость закона Корринга для умеренных значений магнитного поля, а не только для области сильных магнитных полей (несколько Тесла), исследовавшейся ранее. Проведенные исследования показали, что развитая модификация метода оптической накачки пригодна для изучения ядерной спиновой динамики и ее зависимости от магнитного поля и температуры в широком классе полупроводниковых соединений.
Была изучена зависимость поляризации люминесценции образца с (In,Ga)As/GaAs квантовыми точками от поперечного магнитного поля (эффект Ханле).
Результаты проведенных исследований показали, что резонансная оптическая накачка является эффективным инструментом для изучения переходов между расщепленными состояниями ядерных спинов.
Реализован метод измерения динамики ядерной намагниченности в n-легированном слое GaAs, помещенном в микрорезонатор. Идентифицированы особенности эффекта фарадеевского вращения для ядер, локализованных вблизи электронов, спины которых характеризуются быстрой динамикой, и для остальных ядер с более медленной динамикой спинов. Эксперименты не показали существенного влияния частотной расстройки экситонных и резонаторных мод на динамику ядерных спинов.
Четвертым направлением исследований было экспериментальное и теоретическое изучение фазовых переходов в газе магнитных поляритонов. Исследования показали, что магнитное поле радикально влияет на фазовую диаграмму смешанных Бозе-Ферми систем в плоских и одномерных микрорезонаторах с электрической и оптической накачкой. Был произведен полный анализ данных, полученных при непрерывном и импульсном оптическом возбуждении, а также при электрической инжекции электронов и дырок.
Анализ показал, что пороги поляритонной и фотонной генерации существенно зависят от магнитного поля.
Проведенное исследование продемонстрировало наличие управляемого магнитным полем и взаимодействием со светом фазового перехода от Бозе-газа к Ферми-жидкости. Этот результат принципиально важен для создания низкопороговых поляритонных лазеров требуемых для реализации спиновых логических систем.
Развернуть
5
01.01.2015 - 31.12.2015

Программа

Постановление №220 "О мерах по привлечению ведущих учёных в российские образовательные учреждения высшего профессионального образования"

Программное мероприятие

1 П220 – Государственная поддержка научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых
Продолжительность работ
2007 - 2008, 14 мес.
Бюджетные средства
100 млн
Организация
ИФП СО РАН
профинансировано
Продолжительность работ
2012 - 2013, 15 мес.
Бюджетные средства
4,88 млн
Организация
РТУ МИРЭА
профинансировано
Тема
Разработка базовой технологии полупроводниковых наноструктур для источников и приемников излучения систем оптического мониторинга
Продолжительность работ
2007 - 2008, 14 мес.
Бюджетные средства
100 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка базовых серийных технологий изделий микроэлектроники: микроэлектронных устройств различных типов, включая сенсоры с применением наноструктур (кремниевые интегральные рH-наносенсоры).
Продолжительность работ
2011 - 2012, 17 мес.
Бюджетные средства
0 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка базовых серийных технологий изделий микроэлектроники: микроэлектронных устройств различных типов, включая сенсоры с применением наноструктур (биморфные нанооптоэлектромеханические сенсоры).
Продолжительность работ
2011 - 2012, 17 мес.
Бюджетные средства
0 млн
Количество заявок
0
Тема
Разработка базовых серийных технологий микроэлектроники: микроэлектронных устройств различных типов, включая сенсоры с применением наноструктур (для формирования объемных микроэлектронных модулей).
Продолжительность работ
2011 - 2012, 14 мес.
Бюджетные средства
0 млн
Количество заявок
1
Тема
Полупроводниковые и металлические магнитные наноструктуры для спинтроники
Продолжительность работ
2007 - 2008, 18 мес.
Бюджетные средства
30 млн
Количество заявок
6