КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 19-72-00081

НазваниеСпиновые и долинные шумы в нульмерных наноструктурах

РуководительСмирнов Дмитрий Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, г Санкт-Петербург

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

КонкурсКонкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» 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 словаНульмерные наносистемы, квантовые точки, примеси, монослои дихалькогенидов переходных металлов, спектроскопия спинового шума, спиновые флуктуации, долинные флуктуации, сверхтонкое взаимодействие, полумагнитные полупроводники, нульмерные микрорезонаторы.

Код ГРНТИ29.19.22


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В проекте будет развита теория спиновой и долинной динамики и флуктуаций в новых нульмерных наноструктурах: квантовых точках из монослоёв дихалькогенидов переходных металлов, нульмерных микрорезонаторах и эпитаксиальных квантовых точках. Роль флуктуаций резко возрастает при переходе от объёмных полупроводников к низкоразмерным наноструктурам. В нульмерных системах, где могут изучаться одиночные спины носителей заряда, спиновые флуктуации могут играть определяющую роль в спиновой динамике. В рамках проекта будет построена теория взаимодействия электромагнитного излучения со спонтанно поляризованной по спину или долине средой. Будет определена новая независимая информация о спиновой динамике, которая может быть получена при изучении спинового шума. Планируется развить теорию динамики и флуктуаций спина и долинного псевдоспина в монослойных квантовых точках из дихалькогенидов переходных металлов. Будет построена теория спектроскопии спиновых флуктуаций одиночного электрона в микрорезонаторе в режиме сильной связи, когда структура энергетических уровней существенно определяется количеством фотонов в микрорезонаторе. Будут рассчитаны спиновые корреляционные функции высоких порядков для магнитных примесей и предложен метод косвенной спектроскопии спинового шума. Новый метод даст возможность измерения таких корреляторов и определения новых параметров спиновой динамики. Запланировано построение теории пространственно-временных флуктуаций спинов в ансамбле локализованных электронов с учётом спиновой диффузии в режиме прыжковой проводимости.

Ожидаемые результаты
В проекте будут получены результаты по двум неразрывно связанным и бурно развивающимся в настоящее время направлениям в физике твёрдого тела: спинтронике и нанофотонике. Результаты выполнения проекта будут опубликованы не менее, чем в трёх научных статьях в ведущих мировых журналах, индексируемых базой данных Web of Science. Мощный задел, имеющийся у руководителя в данной области, в особенности в теории спиновых флуктуаций, позволяет быть уверенным в успешном достижении поставленных целей и в соответствии полученных результатов уровню мировых лидеров. Теоретические результаты будут сопоставлены с экспериментальными данными ведущих российских и зарубежных лабораторий. Будут выполнены фундаментальные исследования эффектов сверхтонкого взаимодействия, которые позволят улучшить понимание и развить методы управления спинами локализованных электронов. Будут предложены и теоретически проанализированы новые методы спектроскопии спиновых флуктуаций, а именно косвенная спектроскопия, позволяющая изучать спиновые корреляторы высоких порядков, и спектроскопия спинового шума с пространственным разрешением. Будет выполнен микроскопический анализ предложенных методик применительно к магнитным примесям и ансамблю локализованных электронов, соответственно. Будут описаны флуктуации поляризации света, проходящего через микрорезонатор с одиночной квантовой точкой в режиме сильной связи и показана возможность наблюдения квантового эффекта Зенона для спина электрона в такой системе. Будут проанализированы спин-долинная динамика и флуктуации в монослойной квантовой точке из дихалькогенида переходного металла.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1) Предложен новый метод косвенной спектроскопии спиновых флуктуаций, позволяющий измерять спиновые корреляционные функции высоких порядков. Показано, что в случае, когда обменное взаимодействие магнитных примесей с локализованными экситонными состояниями превосходит однородную ширину экситонного резонанса, оптический отклик системы на спиновую поляризацию является нелинейным. В рамках единого подхода рассчитаны спектры флуктуаций фарадеевского вращения и комбинационного рассеяния со множественными переворотами спинов и установлена связь между ними. Показано, что форма спектров качественно различна в случаях квантовых и тепловых спиновых флуктуаций, а также для нормального и негауссового спинового шума. https://arxiv.org/abs/2001.09060 2) Построена микроскопическая теория экспериментов типа накачка-зондирования для ансамблей квантовых точек, содержащих магнитные примеси. Определена временная зависимость угла фарадеевского вращения в геометрии Фогта при произвольном соотношении величины обменного взаимодействия магнитных примесей и однородной ширины экситонного резонанса. Показано, что такая зависимость состоит из серии гармоник кратных частоте ларморовской прецессии спинов магнитных примесей. Описаны результаты экспериментов, выполненных в ФТИ им. А.Ф. Иоффе и определены параметры спиновой динамики марганца в квантовых точках: время спиновой релаксации и константа обменного взаимодействия. 3) Рассчитаны пространственно-временные спектры спиновых флуктуаций электронов, локализованных на донорах, с учётом конкуренции прыжков, сверхтонкого взаимодействия с ядрами кристаллической решетки и внешнего магнитного поля. Показано, что спиновая диффузия приводит к уширению спектров спинового шума. Описана спиновая делокализация в ансамблях электронов за счёт неупругих прыжков, квантовомеханического туннелирования и обменного взаимодействия. Продемонстрировано, что для всех трех механизмов спиновая делокализация качественно разным образом модифицирует спектры спиновых флуктуаций. 4) Построена теория когерентных осцилляций электронной плотности при резонансном возбуждении нескольких размерно-квантованных экситонных состояний в квантовой яме. Показано, что возникающий при этом диполь Герца колеблется на частотах определяемых расщеплениями между экситонными состояниями. Обменное взаимодействие экситонов приводит к осциллирующему со временем сдвигу энергии экситонов, который был обнаружен в экспериментах в лаборатории оптики спина в СПбГУ. https://arxiv.org/abs/2003.08143

 

Публикации

1. Смирнов Д.С., Кавокин К.В. Optical Resonance Shift Spin Noise Spectroscopy arXiv, arXiv:2001.09060 (год публикации - 2020).

2. Трифонов А.В., Курдюбов А.С., Герловин И.Я., Смирнов Д.С., Кавокин К.В., Югова И.А., Ассман М., Кавокин А.В. Exciton energy oscillations induced by quantum beats arXiv, arXiv:2003.08143 (год публикации - 2020).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1) Теоретически описан квантовый эффект Зенона в нульмерном микрорезонаторе, содержащем однократно заряженную квантовую точку, в режиме сильной связи. Получены аналитические выражения для феноменологической силы измерения спина непрерывным линейно поляризованным светом, которые позволяют управлять скоростью спиновой прецессии и релаксации во внешнем магнитном поле изменяя мощность и частоту зондирующего луча. Рассчитан биспектр спинового шума и показано, что его измерение позволяет детектировать качественное изменение режима спиновой динамики при увеличении мощности зондирующего луча. Рассчитана скорость накопления квантовой информации при непрерывном измерении спина в отсутствие магнитного поля и показано, что гомодинирование оптического сигнала позволяет достичь квантового предела эффективности измерения спина. https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.103.045413 2) Показано, что сверхтонкое взаимодействие является основной причиной спин-долинной релаксации локализованных электронов и экситонов в монослоях дихалькогенидов переходных металлов в малых магнитных полях. В силу его анизотропии степень поляризации носителей уменьшается примерно в два раза для типичного случая локализации на вакансиях атомов халькогена. Прыжки электронов между центрами локализации приводят к полной потере долинной поляризации. Приложение внешнего магнитного поля, превосходящего случайные ядерные поля, позволяет подавить электронную спиновую релаксацию. 3) Предложен новый механизм спиновой ориентации для локализованных электронов – динамическая поляризация за счёт взаимодействия с ядерными спиновыми флуктуациями в малом магнитном поле. Эффект возникает при возбуждении ансамбля квантовых точек неполяризованным светом, не передающим напрямую угловой момент ни электронам, ни ядрам. Предсказано, что степень спиновой поляризации электрона может достигать 100% в полях порядка нескольких миллитесла. Теоретическое предсказание подтверждено экспериментальным исследованием непрямых по импульсу экситонов в InAlAs/AlAs квантовых точках. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.156801

 

Публикации

1. Леппенен Н.В., Ланку Л., Смирнов Д.С. Quantum Zeno effect and quantum nondemolition spin measurement in a quantum dot–micropillar cavity in the strong coupling regime Physical Review B, 103, 4, 045413 (год публикации - 2021).

2. Смирнов Д.С., Кавокин К.В. Optical resonance shift spin-noise spectroscopy Physical Review B, 101, 23, 235416 (год публикации - 2020).

3. Смирнов Д.С., Шамирзаев Т.С., Яковлев Д.Р., Байер М. Dynamic Polarization of Electron Spins Interacting with Nuclei in Semiconductor Nanostructures Physical Review Letters, 125, 15, 156801 (год публикации - 2020).

4. Трифонов А.В., Курдюбов А.С., Герловин И.Я., Смирнов Д.С., Кавокин К.В., Югова И.А., Ассман М., Кавокин А.В. Exciton energy oscillations induced by quantum beats Phys. Rev. B, 102, 20, 205303 (год публикации - 2020).


Возможность практического использования результатов
Результаты выполнения проекта позволяют сформулировать основные принципы оптического управления спиновой и долинной когерентностью в ряде новых нульмерных наносистем с локализованными носителями заряда и их кулоновскими комплексами таких как монослои дихалькогенидов переходных металлов, квантовые точки и квантовые ямы, в том числе в оптических микрорезонаторах. Это в свою очередь может найти важное применение при создании нового класса устройств хранения, обработки и передачи квантовой информации.