Optical orientation of electrons and nuclei

Оптическая ориентация заключается в генерации поляризованных по спину носителей заряда в полупроводнике циркулярно поляризованным светом [1]. Если за время жизни фотовозбужденные носители не утрачивают полностью спиновую ориентацию, то фотолюминесценция будет частично поляризована по кругу. Таким образом, процесс оптической ориентации включает две стадии: создание ориентированных по спину носителей при поглощении циркулярно-поляризованного света и спиновая релаксация, происходящая в течение времени жизни носителей. Степень циркулярной поляризации рекомбинационного излучения ρc служит удобным и чувствительным индикатором спинового состояния носителей и его изменений под влиянием внешних воздействий и релаксационных процессов, определяющих кинетику неравновесных носителей в полупроводнике. В GaAs она численно равна проекции среднего спина электронов на направление возбуждающего луча (ось z).

В магнитном поле B⃗\vec{B}B спин электронов прецессируют с ларморовой частотой w⃗=μBgeB⃗/ℏ\vec{w}=\mu_B g_e \vec{B}/\hbarw=μB​ge​B/ℏ (магнетон Бора μB>0\mu_B > 0μB​>0, geg_ege​ g-фактор электронов на дне зоны проводимости) вокруг направления поля. Поперечное к оси z магнитное поле поворачивает средний спин , что приводит к деполяризации излучения (эффекту Ханле).

В магнитном поле B⃗\vec{B}B спин электронов прецессируют с ларморовой частотой w⃗=μBgeB⃗/ℏ\vec{w}=\mu_B g_e \vec{B}/\hbarw=μB​ge​B/ℏ (магнетон Бора μB>0\mu_B > 0μB​>0, geg_ege​ g-фактор электронов на дне зоны проводимости) вокруг направления поля. Поперечное к оси z магнитное поле поворачивает средний спин , что приводит к деполяризации излучения (эффекту Ханле).

Спиновая релаксация возникает в результате воздействия переменных во времени случайных магнитных полей на электронный спин. С каждым из спин-спиновых взаимодействий связан свой механизм спиновой релаксации. На сегодняшний день существует несколько основных механизмов потери спина электронами в немагнитном полупроводнике: (1) спин-орбитальные механизмы Эллиотта-Яфета (ЭЯ) и Дьяконова-Переля [4]. В первом случае переворот спина электрона имеет место в момент его рассеяния на немагнитном возмущении, а во втором происходит потеря спина за время между актами рассеяния; (2) спиновая релаксация за счет обменного взаимодействие электронов со спинами дырок (механизм Бира-Аронова-Пикуса) [4] и спинами магнитных атомов [8], внедренных в полупроводник; (3) релаксация спина за счет сверхтонкого взаимодействия с ядрами решетки [1].

Наблюдаемое на эксперименте время релаксации спина в полупроводниках III-V варьируются от 100 пс до ~1 мкс [9]. Время зависит от температуры, уровня легирования, пространственного ограничения носителей в наноструктурах, электрон-электронных корреляций. Например, в нелегированных полупроводниках спин-орбитальные механизмы эффективны при высоких температурах. Однако при низкой температуре электроны локализуются, и на первый план выходит сверхтонкое взаимодействие с ядрами [10]. Оно же существенно и в наноструктурах (квантовых ямах [11], точках [12]).

Контактное сверхтонкое взаимодействие электронов и ядер разрешает переходы с взаимным опрокидыванием электронного и ядерного спинов с сохранением полного спина (контактное взаимодействие дырок обычно мало). Поэтому, возможна поляризация спинов ядер оптически ориентированными электронами [1]. В свою очередь, поляризованные ядра создают эффективное магнитное поле (поле Оверхаузера), влияющее на электронный спин. Таким образом, возникает нелинейная сильно связанная электронно-ядерная спиновая система [4].

В последнее время интерес к этой системе возрос в связи с массовым изучением квантовых точек, содержащих один резидентный электрон, который некоторыми оптимистами рассматривается на роль кубита в квантовом компьютере. Впервые динамическая поляризация ядер в точках, содержащих один резидентный электрон, осуществлена группой Захарчени в ансамбле InP точек [12,13], и в совместных работах [14, 15] в одиночных точках GaAs. В случае пустой квантовой точки динамическая поляризация ядер осуществляется нейтральными экситонами – электроном в присутствие дырки. В этом случае эффективность ядерной поляризации мала [16 ], так как сильное обменное взаимодействие между электроном и дыркой требует передачи сравнительно больших квантов энергии при флип-флоп переходе. Теоретическое описание экситонно-ядерной спин-системы в квантовых точках дано в работах нашей лаборатории [17,18]. Взаимодействие ядер с резидентным электроном в точке рассмотрено в [19].

Ярким проявлением нелинейности ЭЯСС являются бистабильные состояния и незатухающия колебания ее поляризации [4, 20]. В наноструктурах бистабильность ЭЯСС была открыта в GaAs квантовых ямах в [21], а позже зарубежными группами в квантовых точках. Пожалуй, самым интригующим эффектом стало бы обнаружение самополяризации ядер, то есть спонтанного упорядочения ядерных спинов при освещении неполяризованным или линейно-поляризованным светом. Самополяризация ядер при низкой температуре (1 K) была предсказана Дьяконовым и Перелем [4] для случая межзонного фотовозбуждения электронов, а затем другой, не зависящий от температуры, механизм предложен [22] для резонансного возбуждения квантовой точки, содержащей электрон.

Прямым доказательством наличия ядерной поляризации является сигнал ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Впервые он был осуществлен в [1]. Нашей группой оптически детектирован ЯМР в квантовых ямах [11] и квантовых точках с резидентным электроном [12]. В лаборатории открыта уникальная возможность индуцирования ЯМР оптически, то есть без внешнего переменного РЧ поля [23, 24]. В этом случае роль переменного поля играет сверхтонкое поле электронов на ядрах (поле Найта), которое модулируется изменением во времени круговой поляризации и интенсивности лазера на частоте ЯМР.

Литература

1. G. Lampel, Phys. Rev. Lett. 20 491 (1968)
2. Джиоев Р.И., Захарченя Б.П., Коренев В.Л. Исследование тонких ферромагнитных пленок в структуре ферромагнетик/полупроводник методом оптической ориентации.// ФТТ, 1995. т.37. в.11 с.3510-3522. R.I. Dzhioev, B.P. Zakharchenya, and V.L. Korenev. Optical orientation study of thin ferromagnetic films in a ferromagnet/semiconductor structure.// Physics of the Solid State V. 37, Issue 11, pp. 1929-1935 (1995).
3. B.P. Zakharchenya and V.L. Korenev. Integrating Magnetism into Semiconductor Electronics.// Physics Uspekhi v.48 (6) 603-608 (2005). Б.П. Захарченя, В.Л. Коренев. Интегрируя магнетизм в полупроводниковую электронику. УФН, т.175, N 6, 629-635 (2005)
4. Оптическая ориентация гл.5 (1989). Optical Orientation (1984, North-Holland).
5. Калевич В.К., Коренев В.Л. – Влияние электрического тока на оптическую ориентацию двумерных электронов.// Письма в ЖЭТФ т.52, в.4, с.859-863 (1990). V. K. Kalevich and V. L. Korenev. Effect of electric field on the optical orientation of 2D electrons// JETP Letters, V. 52, Issue 4, pp. 230-235 (1990)
6. V.K. Kalevich, and V.L. Korenev Optical polarization of nuclei and ODNMR in GaAs/AlGaAs quantum wells// Applied Magnetic Resonance, v.2, N.2, p.397-412 (1991).
7. Б.П. Захарченя, А.В. Кудинов, Ю.Г. Кусраев. Эффект Ханле в асимметричной двойной квантовой яме CdTe/CdMnTe. Письма в ЖЭТФ 63, 241-245 (1996).
8. G.V. Astakhov, R. I. Dzhioev, K.V. Kavokin, V.L. Korenev, M.V. Lazarev, M. N. Tkachuk, Yu.G. Kusrayev, T. Kiessling, W. Ossau, L.W. Molenkamp. Suppression of Electron Spin Relaxation in Mn-Doped GaAs.// Physical Review Letters, 100 076602 (1-4) (2008).
9. Р.И. Джиоев, Б.П.Захарченя, В.Л.Коренев, Д.Гамон, Д.С. Катцер. Долгие времена спиновой памяти электронов в арсениде галлия.// Письма в ЖЭТФ, т.74, стр. 200-204 (2001). R. I. Dzhioev, B. P. Zakharchenya, V. L. Korenev, D. Gammon, and D.S. Katzer. Long electron spin memory times in gallium arsenide.// JETP Letters, V.74 pp.182-185 (2001)
10. R. I. Dzhioev, V. L. Korenev, I.A.Merkulov, B. P. Zakharchenya, D. Gammon, Al.L. Efros, and D.S. Katzer. Manipulation of the Spin Memory of Electrons in n-GaAs.// Physical Review Letters, V.88, N25 p.256801-(1-4) (2002)
11. Калевич В.К., Коренев В.Л., Федорова О.М. Оптическая полризация ядер в GaAs/AlGaAs квантово-размерных структурах.// Письма в ЖЭТФ, 1990, т.52, в.6, с.964-968. V. K. Kalevich, V. L. Korenev, and O.M. Fedorova. Optical polarization of nuclei in GaAs/AlGaAs quantum-well structures// JETP Letters, V. 52, Issue 6, pp. 349-354 (1990)
12. Р.И. Джиоев, Б.П. Захарченя, В.Л. Коренев, П.Е. Пак, М.Н. Ткачук, Д.А. Винокуров, И.С. Тарасов. Динамическая поляризация ядер в самоорганизованном ансамбле квантоворазмерных островов InP/InGaP n-типа.// Письма в ЖЭТФ 68 (9), 745-749 (1998) R. I. Dzhioev, B. P. Zakharchenya, V. L. Korenev, P. E. Pak, M. N. Tkachuk, D. A. Vinokurov, and I.S. Tarasov. Dynamic polarization of nuclei in a self-organized ensemble of quantum-size n-InP/InGaP islands.// JETP Letters V.68 (9) pp. 745-749 (1998)
13. Р.И. Джиоев, Б.П. Захарченя, В.Л. Коренев, М.В. Лазарев. Взаимодействие экситонной и ядерной спиновых систем в самоорганизованном ансамбле кванотово-размерных островов InP/InGaP.// ФТТ 41 (12) 2193-2199 (1999)
14. R. I. Dzhioev, B. P. Zakharchenya, V. L. Korenev, and M. V. Lazarev. Interaction between the exciton and nuclear spin systems in a self-organized ensemble of InP/InGaP size-quantized islands.// Physics of the Solid State, V.41 (12), pp. 2014-2019 (1999)
15. A. Bracker, J. G. Tishler, V.L. Korenev, D. Gammon. Polarized electrons, trions and nuclei in charged quantum dots.// Physica Status Solidi . (b) V.238, 266-272 (2003)
16. A. S. Bracker, E. Stinaff, D. Gammon, M. E. Ware, J. G. Tischler, D. Park, A. Shabaev, A1. L. Efros, D. Gershoni, V. L. Korenev, I. A. Merkulov. Optical pumping of the Electronic and Nuclear Spin of Single Charge-Tunable Quantum Dots.// Physical Review Letters, V.94, pp. 047402 (2005).
17. D. Gammon, Al.L. Efros, T.A. Kennedy, M. Rosen, D.S. Katzer, S.W. Brown, V.L. Korenev, and I.A. Merkulov, – Electron and nuclear spin interactions in the optical spectra of single GaAs quantum dots, Phys.Rev.Lett., V.86 (22), 5176-5179 (2001)
18. В.Л.Коренев. Динамическая самополяризация ядер в низкоразмерных системах.// Письма в ЖЭТФ 70 (2) 124-129 (1999) V.L.Korenev. Dynamic self-polarization of nuclei in low-dimensional systems.// JETP Letters, V.70 (2), pp. 129-134 (1999)
19. И.А.Меркулов, Спиновые системы квантовых точек.// УФН, т.172 с. (2002) I.A. Merkulov, Al.L. Efros, M.Rosen. Electron spin relaxation by nuclei in semiconductor quantum dots.// Phys. Rev.B 65 205309 (2002)
20. Artemova E.S., Galaktionov E.V., Kalevich V.K., Korenev V.L., Merkulov I.A., Silbergleit A.S. Sinergetic phenomena in the electron-nucleus spin system of AlGaAs in a strong magnetic field.// Nonlinearity, v.4, N.1, p.49-57 (1991).
21. В.К. Калевич, В.Л. Коренев. Анизотропия электронного g-фактора в квантовых ямах GaAs/AlGaAs.// Письма в ЖЭТФ, т.56, в.5, с.257-263 (1992). V.K. Kalevich, and V.L. Korenev. Anisotropy of the electron g-factor in GaAs/AlGaAs quantum wells// JETP Letters, V. 56, Issue 5, pp. 253-259 (1992).
22. Korenev, V. L. The Nuclear Spin Nanomagnet in an Optically Excited Quantum Dot.// Physical Review Letters, 99 256405 (1-4) (2007)
23. В.К. Калевич. Оптически индуцируемый ЯМР.// ФТТ 28 3462 (1986)
24. В.К. Калевич, В.Л. Коренев, В.Г. Флейшер. Оптически индуцируемый ЯМР в полупроводниках.// Изв.АН СССР, Сер.физ., 1988, т.52, в.3, с.434-436. V. K. Kalevich, V. L. Korenev, V. G Fleisher. Optically induced NMR in semiconductors.// Vsesoiuznyi Seminar po Opticheskomu Detektirovaniiu Magnitnykh Rezonansov v Tverdykh Telakh, 4th, Tallin, Estonian SSR, Apr. 1987, Akademiia Nauk SSSR, Izvestiia, Seriia Fizicheskaia (ISSN 0367-6765), vol. 52, no. 3, 1988, p. 434-436. In Russian.

Контакты

Коренев Владимир Львович