WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 7 Аномальный эффект Ханле в квантовых ямах на основе полумагнитных полупроводников © А.В. Кудинов, Ю.Г. Кусраев, И.А. Меркулов, К.В. Кавокин, И.Г. Аксянов, Б.П. Захарченя Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 18 декабря 2002 г.) Экспериментально и теоретически исследовано поведение сигнала оптической ориентации при резонансном оптическом возбуждении локализованных экситонов в квантовых ямах с полумагнитными слоями. Основное экспериментальное наблюдение работы — аномальное возрастание степени поляризации излучения из квантовой ямы в условиях эффекта Ханле. Необычно также поведение магнитоиндуцированной циркулярной поляризации люминесценции в слегка скошенном поле (в квазифойхтовской геометрии).

Обсуждаются специфические вклады в оптическую ориентацию экситонов, возможные в полумагнитных наноструктурах. Предложена теоретическая модель, основанная на известных представлениях о коллективной спиновой динамике магнитных ионов в обменном поле фотодырки, но учитывающая также флуктуации локальной намагниченности. Расчет дает количественное согласие с экспериментом при разумных значениях параметров.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 00-02-16941 и 01-02-17906), а также Министерства промышленности, науки и технологий Российской Федерации.

В 1920-х годах, на заре оптической спектроскопии, CdTe/(Cd,Mn)Te или (Cd,Mn)Te/(Cd,Mg,Mn)Te, содерв работах Вуда и Ханле было обнаружено влияние жащих магнитные ионы Mn. Резко анизотропный g-факмагнитного поля на поляризацию резонансной флуорес- тор тяжелых дырок в таких КЯ способствует необычной ценции паров ртути и натрия. Систематическое изучение коллективной динамике экситонных и марганцевых спиродственных этому явлений было инициировано работа- нов в магнитном поле, приложенном параллельно плосми Кастлера, положившими начало методу оптической кости КЯ. Начиная с середины 1990-х годов различные накачки (оптической ориентации) [1]. В экспериментах проявления такой динамики были обнаружены в экспо оптической накачке круговая поляризация вторичного периментах по множественному спин-флип-рассеянию свечения исчезает, если поместить излучающую среду в света ионами марганца [7], сверхбыстрым колебаниям поперечное магнитное поле. Деполяризация излучения в намагниченности, регистрируемым методом pump-probe поперечном магнитном поле получила название эффекта со сверхвысоким временным разрешением [8–11], и пе Ханле. рекачке энергии из зеемановского в магнитополяронный резервуар [12]. Теоретическое рассмотрение спиновой С развитием оптической накачки в твердом теле эффект Ханле стал одним из основных инструментов ме- динамики в данной системе проводилось в [13].

тода оптической ориентации спинов, долгое время оста- О том, что в подобных системах в условиях эффекта ваясь почти единственной возможностью исследования Ханле вместо деполяризации возможно нарастание степроцессов быстрой спиновой эволюции в кристаллах [2]. пени поляризации, т. е. о наблюдении „отрицательного“, В классической разновидности эффекта Ханле в полу- или аномального, эффекта Ханле (АЭХ), впервые сообпроводниках степень поляризации фотолюминесценции щалось в [14]. В [14,15] было предложено качественное в нулевом магнитном поле и полуширина деполяриза- объяснение этого эффекта, состоящее в выходе инционной кривой позволяют при известном g-факторе дуцированной внешним полем намагниченности ионов электронов проводимости определить времена их жизни марганца из плоскости КЯ в результате прецессии в суми спиновой релаксации. В других случаях форма деполя- марном эффективном поле (внешнее поле + обменное ризационной кривой Ханле может нести информацию о поле фотодырки). В общих чертах, такого объяснения транспорте носителей и неравновесного спина, о диффу- мы придерживаемся и сейчас.

зии, переизлучении и поверхностной рекомбинации [3,4].

За истекшие годы было установлено, что АЭХ не Кривые Ханле не всегда представляют монотонный является исключительным свойством одного образца, а спад степени поляризации: известны осциллирующая зачастую наблюдается (при резонансном фотовозбуждедеполяризация при каскадных процессах [2,5] и даже нии) в КЯ с полумагнитными слоями, причем магнитные временные восстановления исходного значения поляри- ионы могут находиться как в слое КЯ, так и в барьерных зации в условиях взаимной компенсации внешнего поля слоях, а концентрация марганца может изменяться в и обменного поля ядер [2,6].

широких пределах. С другой стороны, для построения Настоящая работа посвящена кривым Ханле особого модели, способной дать количественное описание натипа, которые часто наблюдаются в квантоых ямах (КЯ) блюдаемых кривых, потребовалось осознание важной 10 1298 А.В. Кудинов, Ю.Г. Кусраев, И.А. Меркулов, К.В. Кавокин, И.Г. Аксянов, Б.П. Захарченя роли тепловых флуктуаций локальной намагниченности счет туннельного оттока носителей через полупрозрачв динамике спинов фотодырок в полумагнитных КЯ [16] ный барьер [14,19]. Все же степень поляризации люмии экспериментальное обнаружение ускорения спиновой несценции обычно бывает невелика (порядка нескольких релаксации дырок в поперечном магнитном поле [9]. процентов).

В настоящей работе приводятся экспериментальные Следует отметить, что в полупроводниках, содеррезультаты по АЭХ и сопутствующим эффектам в жащих магнитные ионы, возможен особый псевдодинескольких структурах с КЯ. Предложена также флук- намический эффект оптической ориентации экситонов, туационно-динамическая модель АЭХ, дающая удовлет- обнаруженный и объясненный Варноком с соавторами [20]. Для квантово-размерных структур этот эффект ворительное описание эксперимента. В теории учтено наблюдался в [21]. Варноковская ориентация основана на влияние флуктуаций локальной намагниченности на расщеплении экситонных состояний в обменных полях коллективную спиновую динамику взаимодействующих дырки и магнитных ионов. Хотя лежащие в основе мо- магнитных флуктуаций; ее отличие от „традиционной“ оптической ориентации в том, что создаваемая светом дели физические механизмы не являются откровением, спиновая поляризация экситонов практически не меняетв целом АЭХ представляет собой новый и интересный феномен, показывающий, в частности, что понятия „кон- ся в течение их времени жизни [20,22]. Оптическая ориентация по варноковскому механизму требует резонансфигурация Фойхта“ (точнее, „условия эффекта Ханле“) и „деполяризация люминесценции“ не являются синони- ного возбуждения локализованных экситонных состояний, поэтому если нет сильного магнитополяронного мами.

сдвига, то этот эффект наблюдается при близких частотах возбуждающего света и люминесценции. При резо1. Эксперимент нансном возбуждении локализованных экситонов могут быть эффективны и „традиционный“ динамический, и Исследовались гетероструктуры варноковский механизмы; в этих условиях вопрос о с КЯ CdTe/Cd1-xMnxTe (x = 0.18) и природе сигнала оптической ориентации (в нулевом Cd1-xMnxTe/Cd1-x-yMnxMgy Te (x = 0.07, y = 0.29), поле) должен решаться с учетом обеих возможностей.

выращенные методом молекулярно-пучковой эпитаксии Отметим это, поскольку для наблюдения АЭХ актуально на подложках (001)-InSb и (001)-CdTe соответственно.

именно резонансное возбуждение (см. далее).

Структуры CdTe/Cd1-xMnxTe содержали по две КЯ Эксперименты по эффекту Ханле в условиях опшириной 40 и 80, разделенные барьерами Cd1-xMnxTe тической ориентации в КЯ с магнитными ионами во шириной 60 (образец № 1) и 150 (образец № 2).

многих случаях демонстрируют ожидаемую монотонную Структура Cd1-xMnx Te/Cd1-x-yMnxMgy Te содержала деполяризацию излучения, вызванную прецессией средпять КЯ шириной 9, 16, 45, 80 и 300 (образец № 3).

него спина носителей (или экситонов) в поперечном Оптическое возбуждение осуществлялось перестривамагнитном поле. При этом форма кривой Ханле обычно емым лазером на кристалле Al2O3 : Ti. Возбуждающий лоренцевская [19], иногда с добавкой не зависящей от свет распространялся вдоль оси роста структуры, а поля части, которая в [18] интерпретировалась как дыизлучение регистрировалось под малым углом к этой рочный вклад в сигнал оптической ориентации. В то же оси. Степень циркулярной поляризации излучения время в других случаях приложение магнитного поля в измерялась с помощью фотоупругого модулятора фойхтовской геометрии вместо деполяризации влечет за поляризации и двухканальной системы счета фотонов.

собой увеличение поляризации люминесценции. Первая Магнитное поле создавалось сверхпроводящим солекривая такого рода была получена нами при иследованоидом или электромагнитом и прикладывалось либо нии оптической ориентации в 40 КЯ CdTe/CdMnTe, параллельно оси роста структуры (геометрия Фарадея), туннельно соединенной с широкой 80 A КЯ (обралибо перпендикулярно ей (геометрия Фойхта).

зец №1) [14]. Вследствие высокой туннельной проИз-за наличия эффективного канала спиновой релак- зрачности внутреннего барьера экситоны из 40 КЯ сации через обменное рассеяние на магнитных ионах уходят в соседнюю яму быстрее, чем рекомбинируют, в полумагнитных полупроводниках и КЯ с полумаг- поэтому люминесценция из этой ямы на два порядка нитными слоями электроны и дырки в них обычно слабее, чем из 80 КЯ. Однако при возбуждении в характеризуются короткими временами спиновой ре- резонанс с локализованными экситонными состояниями лаксации. Это затрудняет наблюдение эффекта опти- в 40 КЯ наблюдается вторичное свечение в виде длинческой ориентации спинов в таких системах в условиях новолнового „крыла“ вблизи лазерной линии (рис. 1, a) непрерывного возбуждения. Тем не менее, манипулируя и отдельного пика, отстоящего от лазерной линии на соотношением времен жизни и спиновой релаксации, энергию оптического фонона. В некотором диапазоне сигнал оптической ориентации можно наблюдать. Это энергий возбуждения длинноволновое „крыло“ обнаруудавалось делать, либо выбирая достаточно широкие КЯ живает структуру. Фактически мы имеем здесь дело с ионами марганца в барьерах, чтобы уменьшить про- с резонансным рассеянием света экситонами. Профиль никновение волновых функций носителей в магнитные возбуждения „крыла“ почти совпадает со спектром люслои [17,18], либо эффективно сокращая время жизни за минесценции (т. е. находится в области локализованных Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Аномальный эффект Ханле в квантовых ямах на основе полумагнитных... ниями являются локализованные экситоны, а в случае LO-линии — скорее всего, квазисвободные экситоны.

Обе особенности можно наблюдать в одном спектре (при одной энергии возбуждения) благодаря сильному неоднородному уширению в данном образце. При приложении магнитного поля — как в фойхтовской, так и в фарадеевской геометрии — интенсивность излучения существенно меняется (рис. 1, a), что свидетельствует об изменении плотности состояний (а следовательно, и коэффициента поглощения) на частоте возбуждающего света вследствие гигантского зеемановского расщепления. Изменения интенсивности излучения зависят от энергии возбуждающих фотонов ( ex), и для выбранной на рис. 1, a ex = 1.712 eV интенсивность „крыла“ падает, а интенсивность LO-линии растет с увеличением магнитного поля. При возбуждении фотонами с энергией ex = 1.721 eV (именно при этом значении измерялись кривые АЭХ) в продольном магнитном поле интенсивность излучения падает как на „крыле“, так и на LO-линии. Тот факт, что разные особенности спектра излучения по-разному меняются в магнитном поле, подтверждает высказанную выше гипотезу о происхождении промежуточных состояний. Как показано далее, поляризационные измерения также находятся в соответствии с этим предположением.

Если возбуждение осуществлять циркулярно поляризованным светом, излучение также оказывается частично поляризованным. Сигнал оптической ориентации на „крыле“, как обычно [18], спадает по мере удаления от лазерной линии, а вблизи LO-линии снова возрастает.

Регистрируемый сигнал не был связан с проникновением диффузно рассеянного лазерного света в щель монохроматора. Измерение эффекта Ханле на LO-линии дает ожидаемую монотонную деполяризацию излучения (рис. 2, a), описываемую лоренцевской зависимостью.

Напротив, аналогичное измерение на „крыле“ показывает существенный рост степени циркулярной поляризации излучения, который лишь в более сильных полях сменяется спадом поляризации (рис. 2, b). Зависимости последнего вида мы называем аномальным эффектом Ханле. Эффект четный по полю, как и должно быть по симметрии опыта. Различное поведение степени поляРис. 1. Спектры излучения из квантовых ям при возбуждении ризации в магнитном поле на „крыле“ и на LO-линии в область локализованных экситонных состояний (T = 2K).

a — для КЯ шириной 40 в образце № 1 при различ- находится в соответствии с гипотезой о различном ных значениях продольного магнитного поля (возбуждение происхождении этих спектральных особенностей. При ex = 1.712 eV); b — для КЯ шириной 80 в образце уменьшении степени циркулярной поляризации возбуж№3 при B = 0 и в поперечном магнитном поле B = 0.5T дающего света пропорционально уменьшается как по(возбуждение ex = 1.743 eV). На части b показан также ляризация излучения в нулевом поле, так и амплитуда спектр оптической ориентации в нулевом поле.

роста поляризации в магнитном поле. При исследовании спектральной зависимости АЭХ оказалось, что амплитуда роста поляризации также падает по мере экситонных состояний), тогда как профиль возбужде- удаления от лазерной линии. Однако следует заметить, ния LO-линии сдвинут на 18 meV в коротковолновую что величина АЭХ, как показывает зависимость эффекта сторону. Этот результат, по-видимому, означает, что за от плотности возбуждения (см. далее), не коррелинаблюдаемые особенности в спектре вторичного све- рует ясно с величиной поляризации в нулевом поле.

чения ответственны разные промежуточные состояния, Отметим также, что эффект не зависит от времени а именно: в случае „крыла“ промежуточными состоя- жизни экситонов: в образце № 2, в котором время 10 Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 1300 А.В. Кудинов, Ю.Г. Кусраев, И.А. Меркулов, К.В. Кавокин, И.Г. Аксянов, Б.П. Захарченя связаны друг с другом, они имеют различные источники.

(В „нормальном“ эффекте Ханле монотонное уменьшение поляризации связано именно с влиянием магнитного поля на спиновую эволюцию тех носителей, которые ответственны за поляризацию в нулевом поле).

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.