КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 18-72-10073

НазваниеДинамика и когерентный контроль электронных спиновых состояний в монокристаллах GaAs и гетероструктурах на его основе

РуководительБелых Василий Валерьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2018 - 06.2021  , продлен на 07.2021 - 06.2023. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-202 - Полупроводники

Ключевые словаспин, спиновая динамика, GaAs, квантовые ямы, квантовые точки, накачка-зондирование

Код ГРНТИ29.19.31

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью данного проекта является создание в ФИАН передовых оригинальных методов контроля и исследования динамики электронных спиновых состояний, а также решение с помощью этих методов ряда фундаментальных задач, связанных со спиновыми свойствами электронной подсистемы в структурах различной размерности на основе GaAs. Известно, что спиновая релаксация в GaAs структурах в значительной степени определяется движением электронов вследствие спин-орбитального взаимодействия. Поэтому переход от локализации электронов на донорах к их свободному движению в объемном GaAs при увеличении концентрации доноров или температуры, особенности движения электронов в квантовых ямах (КЯ) без возможности локализации на донорах и полная локализация электронов в квантовых точках (КТ) кардинальным образом сказываются на спиновой динамике электронов. Таким образом, изучая спиновую динамику электронов, можно судить о характере их движения и, следовательно, в оптических экспериментах локально наблюдать эффекты, обычно проявляющиеся при измерении проводимости всего образца, например, слабую локализацию, квантовый эффект Холла и т.д. Нами будет со всей полнотой получена информация электронной спиновой динамике в структурах на основе GaAs с резидентными электронами: объемных системах, квантовых ямах и квантовых точках. Несмотря на относительную простоту и распространенность этих систем, до сих пор существует большой пробел в экспериментальном изучении процессов спиновой релаксации и межспиновых взаимодействий в этих системах. Это связано с тем, что времена спиновой релаксации в разных системах в зависимости от внешних условий меняются от пикосекунд до миллисекунд, тогда как стандартные методики изучения спиновой динамики ограничены доступным временным диапазоном, временным разрешением, либо диапазоном магнитных полей. Кроме того, существуют значительные трудности в определении однородного времени поперечной спиновой релаксации T2. Нами будет реализован расширенный вариант оптической методики накачка-зондирование (pump-probe) с измерением фарадеевского/керровского вращения для изучения спиновой динамики в произвольном временном диапазоне с пикосекундным временным разрешением в произвольных магнитных полях. В частности, данная методика позволит определять неоднородное время дефазировки спинового ансамбля T2* в поперечном магнитном поле, а также время спиновой релаксации вдоль поля T1. Будет создана новая, гибридная, методика pump-probe с временным разрешением, где ориентация спиновых состояний (накачка) будет производиться радиочастотным (РЧ) электромагнитным полем, а регистрация (зондирование) будет осуществляться оптически посредством измерения фарадеевского/керровского вращения плоскости поляризации прошедшего через образец или отраженного лазерного луча. Данная методика позволит селективно ориентировать спиновые состояния с фиксированной частотой ларморовской прецессии и определять однородное время спиновой релаксации T2 в поперечном магнитном поле. На основе данной методики будет продемонстрирована возможность манипуляции спиновыми состояниями с помощью сложных протоколов РЧ накачки. Также в исследуемых структурах будет изучено взаимодействие между двумя селективно ориентированными спиновыми модами. При исследовании проявления в оптически-детектируемой спиновой динамике транспортных эффектов, таких как слабая локализация и квантовый эффект Холла в КЯ, нами на тех же структурах будут проводиться контрольные транспортные измерения. У коллектива проекта имеются необходимый опыт, основное оборудование и образцы для выполнения задач, поставленных в данном проекте. Дополнительное оборудование, необходимое для расширения возможностей экспериментальных методик, планируется приобрести на средства данного гранта.

Ожидаемые результаты
Будет отработана гибридная методика накачка-зондирование (pump-probe), где ориентация спиновых состояний (накачка) будет производиться радиочастотным (РЧ) электромагнитным полем, а регистрация (зондирование) будет производиться оптически посредством измерения фарадеевского/керровского вращения плоскости поляризации прошедшего через образец или отраженного луча. Цуги РЧ поля будут синхронизированы с лазерными импульсами и посредством изменения временной задержки между ними будет измерена эволюция спиновой поляризации, возникшей под действием возмущающего электромагнитного РЧ поля. Данная методика позволит определять однородное время спиновой релаксации T2 в поперечном магнитном поле. Также на основе данной методики будет продемонстрирована возможность манипуляции спиновыми состояниями с помощью сложных протоколов РЧ накачки и будет изучено взаимодействие между двумя селективно возбуждаемыми спиновыми модами. Данная методика является оригинальной, нам не известны упоминания в литературе о подобных экспериментах. В то же время, эта методика является гибридом (i) ЭПР (электронный парамагнитный резонанс) спектроскопии, где измеряется поглощение электромагнитного поля при резонансе его частоты с расщеплением Зеемана в исследуемой структуре во внешнем магнитном поле, (ii) ОДМР (оптически детектируемый магнитный резонанс) спектроскопии, где детектируется изменение фотолюминесценции структуры при воздействии на нее электромагнитного поля, резонансного с зеемановским расщеплением, и (iii) методики pump-probe с измерением фарадеевского/керровского вращения. Предлагаемая методика относительно проста в реализации и обладает рядом преимуществ по сравнению с известными методами, упомянутыми выше. Гибридная методика обладает высоким временным разрешением и позволяет измерять спиновую динамику, в отличие от ОДМР. При этом известна времяразрешенная версия ЭПР (pulsed-EPR), однако, она обладает весьма низким временным разрешением, кроме того в методе ЭПР измеряется сигнал от всего образца, тогда как гибридная методика позволяет проводить локальные исследования, ограниченные размером лазерного пятна. В отличие от оптической pump-probe спектроскопии гибридная методика позволяет селективно ориентировать лишь определенные спиновые подансамбли, а также измерять однородное время спиновой релаксации T2. С помощью данного метода будет определено время T2 резидентных электронов в объемном n-GaAs и КЯ с различной концентрацией доноров. Особый интерес представляет исследование квантовых точек (КТ) данной методикой. Так, в обычных экспериментах по изучению спиновой динамики за счет разброса g факторов, а также ядерных полей для КТ в ансамбле, возникает разброс частот спиновой прецессии вокруг магнитного поля, и затухание результирующего спина происходит за время T2*~ 1 нс. При этом прецессия спина каждой отдельной КТ затухает за время T2~1 мкс. До сих пор однородное время спиновой релаксации T2 измерялось используя сложную технологию контроля зарядового состояния единичных КТ (временное разрешение в этих экспериментах было довольно низким), и непрямыми методами. Новая гибридная методика позволит селективно ориентировать лишь спины для КТ с фиксированной частотой Ларморовской прецессии, устраняя таким образом неоднородное затухание. Будет реализована стандартная оптическая методика pump-probe с измерением фарадеевского/керровского вращения и впоследствии ее расширенный вариант для измерения спиновой динамики в произвольном временном диапазоне с пикосекундным временным разрешением. В частности, данная методика позволит определять неоднородное время дефазировки спинового ансамбля T2* в поперечном магнитном поле, а также время спиновой релаксации вдоль поля T1. Будет исследована спиновая релаксация в КЯ на основе GaAs с различной концентрацией электронного газа, в широком диапазоне как продольных, так и поперечных магнитных полей при различных температурах. В этих экспериментах будет исследовано влияние явлений, обычно проявляющихся в транспортных измерениях, на спиновую динамику электронного газа. В частности будет исследована спиновая динамика в режиме квантового эффекта Холла, а также влияние слабой локализации на спиновую динамику двумерного электронного газа. Последняя задача представляет особый интерес так как в зависимости от мобильности электронного газа в КЯ следует ожидать различные режимы влияния слабой локализации на спиновую динамику. Сопоставление времен T2 и T2*, измеренных этими двумя методиками в объемных кристаллах, КЯ и КТ позволит судить о характере неоднородности данных объектов и о влиянии разброса ядерных полей на спиновую релаксацию. Ожидаемые результаты являются новыми и, по нашему мнению, представляют большой фундаментальный интерес. С прикладной точки зрения, актуальность представляет поиск условий где достигается максимальное время спиновой релаксации, а также исследование межспиновых взаимодействий. Эти аспекты являются ключевыми в контексте использования электронных спиновых состояний в качестве квантовых битов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1) Создана радиооптическая время-разрешенная методика накачка-зондирование (pump-probe) с запуском спиновой динамики радиочастотным (РЧ) полем и ее оптическим детектированием посредством измерения фарадеевского вращения. 2) С помощью данной методики измерена когерентная электронная спиновая динамика в n-GaAs с концентрацией электронов вблизи перехода металл-диэлектрик. При приложении осциллирующего РЧ поля в резонанс с частотой ларморовской прецессии электронного спина в постоянном магнитном поле наблюдалась синхронизация прецессии спинового ансамбля и ее дефазировка со временем спиновой когерентности T2 = 300 нс (при 2 К) после прекращения действия РЧ поля. Показано, что данная методика позволяет определять однородное время спиновой релаксации T2, практически недоступное в полностью оптической методике pump-probe, дающей неоднородное время релаксации T2*. 3) Обнаружена немонотонная зависимость амплитуды спиновой прецессии от амплитуды РЧ поля, указывающая на осцилляции Раби. Осцилляции Раби также наблюдались во временной динамике как периодическое возрастание и убывание амплитуды спиновой прецессии при приложении РЧ поля достаточно большой интенсивности. 4) Измерена динамика адиабатического размагничивания электронной спиновой системы в n-GaAs в постоянном продольном магнитном поле (геометрия Фарадея) при приложении прямоугольного импульса слабого магнитного поля. Данная динамика отражает продольную спиновую релаксацию, позволяя определить соответствующее время T1. 5) Измерена динамика спиновой прецессии в постоянном поперечном магнитном поле (геометрия Фогта) при приложении прямоугольного импульса слабого магнитного поля перпендикулярно постоянному полю. Данная динамика позволила определить неоднородное время спиновой дефазировки T2*. Таким образом, созданная методика позволила определить все три основные времени спиновой релаксации T1, T2, T2*. 6) Обнаружена модуляция спиновой поляризации (сигнала Фарадеевского вращения) электронов ионов Ce3+ в матрице YAG при модуляции магнитного поля. Частотная зависимость данной модуляции позволит определить время спиновой продольной релаксации T1. 7) Подобраны образцы с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs, содержащие электронный газ с подвижностью ~2*10^6 см^2/Вc и обладающие узким оптическим спектром, пригодные для измерения спиновой динамики в режиме квантового эффекта Холла. 8) Собрана установка для прямого наблюдения спинового магнитогальванического эффекта. В этих экспериментах в полупроводниках с сильным спин-орбитальным взаимодействием осциллирующее магнитное поле будет создавать осциллирующую спиновую поляризацию, которая за счет спин-орбитального взаимодействия порождает осциллирующий ток, который и будет детектироваться.

 

Публикации

1. Белых В.В., Яковлев Д.Р., Байер М. Radiofrequency driving of coherent electron spin dynamics in n-GaAs detected by Faraday rotation Physical Review B, vol. 99, p. 161205(R) (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.161205

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1) Продемонстрирована возможность как значительно усиливать, так и ослаблять амплитуду спиновой прецессии в n-GaAs, возбуждаемую радиочастотным (РЧ) полем, за счет использования дополнительной оптической подсветки циркулярно-поляризованным светом в направлении постоянного магнитного поля. Этот эффект позволяет значительно увеличить чувствительной радиооптической спектроскопии накачка-зондирование. 2) Обнаружено и исследовано влияние электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) на резонансное спиновое усиление (РСУ) в n-GaAs, возникающее, когда ларморовская частота кратна частоте следования лазерных импульсов, создающих спиновую ориентацию. Данный эффект квадратичен по амплитуде РЧ поля (при малых амплитудах), в отличие от стандартного ЭПР. Обнаружено, что РЧ поле может как выводить, так и вводить спиновую систему в резонанс с лазерными импульсами как подавляя, так и увеличивая спиновую поляризацию. Разработана теория, позволившая получить аналитическое выражение, полностью описывающее экспериментальные наблюдения. 3) В GaAs/AlGaAs квантовых ямах (КЯ) с высокоподвижным электронным газом обнаружена аномальная магнитополевая зависимость времени продольной спиновой релаксации T1, указывающая на наличие бомовской диффузии, которая до этого наблюдалась в намагниченной плазме. При больших полях (от ~1 Тл) и малых температурах, в режиме Квантового эффекта Холла, зависимость T1(B) демонстрирует пики при значениях магнитного поля, соответствующих четным факторам заполнения (отметим что T2*(B) демонстрирует пики на нечетных факторах заполнения). Данный эффект объясняется осцилляциями плотности состояний в зависимости от магнитного поля, которая определяет вероятность рассеяния, необходимого для изменения спина электрона. 4) В узких квантовых ямах теллурида ртути измерена производная намагниченности по концентрации носителей с помощью модуляции химпотенциала магнитным полем, перпендикулярным плоскости системы. Показано, что при добавлении электронов в систему, по мере выхода уровня Ферми из этих тяжелых долин валентной зоны, магнитная восприимчивость резко падает. Оценки показывают, что наблюдаемый эффект связан в основном с парамагнетизмом состояний тяжелых долин валентной зоны. При высоких температурах также наблюдался парамагнетизм дираковских электронов и дырок.

 

Публикации

1. Белых В.В., Кочиев М.В., Собьянин Д.Н., Яковлев Д.Р., Баер М. Anomalous magnetic suppression of spin relaxation in a two-dimensional electron gas in a GaAs/AlGaAs quantum well Physical Review B, - (год публикации - 2020)

2. Коптева Н.Е., Югова И.А., Жуков, Е.А., Кирстайн Э., Эверс А., Белых В.В., Коренев В.Л., Яковлев Д.Р., Баер М., Грейлих А. Theoretical Modeling of the Nuclear‐Field Induced Tuning of the Electron Spin Precession for Localized Spins Physica Status Solidi B, Phys. Status Solidi B 256, 1800534 (2019) (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1002/pssb.201800534

3. Кунцевич А.Ю., Миньков Г.М., Шерстобитов А.А., Тупиков Е.В., Михайлов Н.Н., Дворецкий С.А. Density of states measurements for the heavy subband of holes in HgTe quantum wells Physical Review B, vol. 101, p. 085301 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.085301

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1) Подробно изучено комбинированное действие резонансного спинового усиления (РСУ) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) при воздействии на образец n-GaAs периодических лазерных импульсов и осциллирующего РЧ магнитного поля. Обнаружено смещение и перенормировка пиков РСУ при значительном увеличении амплитуды РЧ поля. 2) Предложен и реализован метод стимулированного резонансного спинового усиления, позволяющий измерять время спиновой когерентности T2, свободное от влияния эффектов неоднородности в системе. Метод основан на приложении к неоднородной спиновой системе в магнитном поле периодических лазерных импульсов и РЧ поля с частотами, находящимися в пределах распределения ларморовских частот. Сканирование частоты РЧ поля относительно частоты повторения лазерных импульсов приводит к узкому резонансу в амплитуде спиновой поляризации, ширина которого определяется временем спиновой когерентности T2, свободным от эффектов, связанных с неоднородностью спинового ансамбля. Данный метод применен к системе ионов Ce3+ в решетке YAG с сильно локализованными электронами. Тогда как обычное РСУ дает ширину пиков в ~10 МГц, соответствующую времени спиновой дефазировки в 25 нс, стимулированное РСУ дает ширину резонанса менее 100 Гц. Измеренная ширина соответствует времени T2 до 9 мс, что является рекордом для ионов Ce3+ в YAG. 3) В образцах с квантовой ямой GaAs/AlGaAs с большой концентрацией электронного газа, обладающего высокой подвижностью, исследованы магнитополевые зависимости динамики спиновой релаксации и спектров фотолюминесценции (ФЛ) в том числе при наличии дополнительной подсветки HeNe лазером. Обнаружено, что дополнительная нерезонансная подсветка HeNe лазером приводит к смещению максимумов магнитополевой зависимости T1, наблюдаемых на четных факторах заполнения, в сторону меньших полей, а также к их размытию. По-видимому, это связано с уменьшением концентрации электронов, что подтверждается соответствующими изменениями в спектре ФЛ.

 

Публикации

1. Белых В. В., Яковлев Д. Р., Байер М. Optical detection of electron spin dynamics driven by fast variations of a magnetic field: a simple method to measure T1, T2, and T∗2 in semiconductors Scientific Reports, Том 10, Выпуск 1, Номер статьи 13155 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1038/s41598-020-70036-8

2. Белых В.В., Собьянин Д.Н., Коротнева А.Р. Resonant spin amplification meets electron spin resonance in n-GaAs Physical Review B, т. 102, с. 075201 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PHYSREVB.102.075201

3. Кунцевич А.Ю., Тупиков Е., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Резников М. Magnetic Susceptibility Measurements in HgTe Quantum Wells in a Perpendicular Magnetic Field JETP Letters, т. 111, с. 633 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1134/S0021364020110041

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта, в частности методы исследования и увеличения времени когерентности электронных спиновых состояний, формируют научный задел для использования спинов в качестве основных элементов для квантовой информатики и систем передачи данных.