WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1 Излучение конденсата экситонов в двойных квантовых ямах © В.В. Криволапчук, А.Л. Жмодиков, Е.С. Москаленко Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: vlad.krivol@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 30 декабря 2004 г.

В окончательной редакции 28 апреля 2005 г.) При исследовании спектров фотолюминесценции пространственно-непрямых экситонов в связанных квантовых ямах было впервые обнаружено, что излучение имеет диаграмму направленности, зависящую от внешнего электрического поля и мощности возбуждения. Полученная в эксперименте корреляция между параметрами спектров излучения пространственно-непрямых экситонов — концентрацией (фазовым состоянием) системы таких экситонов, полушириной линии, степенью линейной поляризации и наличием диаграммы направленности — позволяет сделать предположение о когерентном характере спонтанной фотолюминесценции конденсированного состояния пространственно-непрямых экситонов.

Работа выполнена при частичной поддержке программы Президиума РАН „Низкоразмерные квантовые структуры“ и программы ООФА „Сильно коррелированные электроны“.

PACS: 71.35.Gg, 73.21.Fg 1. Введение пературы, что объяснялось образованием в системе IX новой упорядоченной коллективной фазы. В польИзучение свойств двойных квантовых ям (ДКЯ) при- зу существования такой фазы может свидетельствовлекает в настоящее время значительный интерес ис- вать наблюдение аномально больших флуктуаций (во следователей как с теоретической, так и с экспери- времени) интенсивности линии IX в системе ДКЯ ментальной точки зрения. Этот интерес обусловлен GaAs/AlGaAs. Эти флуктуации наблюдались в [6] тольсуществованием в ДКЯ пространственно-непрямых экси- ко в сильном магнитном поле, приложенном перпентонов (IX), образованных из электрона (e) и дырки (h), дикулярно плоскости ДКЯ, и были интерпретированы локализованных в различных ДКЯ. Вследствие того в рамках модели доменов конденсированного состоячто e и h в IX разделены в реальном пространстве, ния, возникновение которых облегчалось в магнитном IX обладает большим излучательным временем жизни, поле. В работе [7] на основании исследования эво чем прямой экситон (DX), образованный из e и h в люции линии излучения IX было экспериментально одной и той же КЯ. Последнее обстоятельство позволяет показано, что ее спектральная полуширина (FWHM) на практике даже при малых плотностях оптической в зависимости от электрического поля и мощности накачки получать газ IX достаточно большой плотности возбуждения резко уменьшается и, кроме того, вози как следствие ожидать проявления в эксперименте никают аномально большие флуктуации интенсивности различных коллективных свойств в системе простран- фотолюминесценции (PL) линии IX в области резкоственно разделенных электронно-дырочных пар (экси- го изменения FWHM линии IX. Совокупность этих тонов) большой плотности. Эти свойства были пред- данных позволила сделать вывод о том, что в ДКЯ сказаны теоретически в работах [1–3]. Детальный тео- при T 4.2 K реализуется переход пространственноретический анализ системы пространственно-непрямых непрямых экситонов в конденсированное состояние, а экситонов в ДКЯ, выполненный в работе [4], опреде- поведение полуширины линии отражает, по существу, лил условия возникновения стабильной коллективной фазовую энергетическую диаграмму состояния непряфазы IX. Следует ожидать, что экспериментальными мых экситонов в ДКЯ.

параметрами, управляющими фазовым состоянием си- Интересным коллективным свойством бозонов (эксистемы экситонов, являются плотность мощности фо- тонов), следующим из статистики Бозе-газа, являеттовозбуждения I (определяющая плотность эксито- ся возможность возникновения в такой системе бозеp нов N) и величина внешнего электрического поля Vdc эйнштейновской конденсации (БЭК). Конденсация про(определяющего в конечном счете излучательное время исходит при условии, что де-бройлевская длина волны жизни r ). Эти параметры в основном и влияют на D частицы, движущейся со средней (определяемой эволюцию линии излучения IX. Поэтому характеристики температурой системы) скоростью, приблизительно равлинии излучения можно рассматривать в качестве ин- на среднему расстоянию между частицами d (D d).

дикатора фазового состояния системы экситонов. Так, Длина волны D зависит от массы частиц и темперав [5] наблюдалось значительное сужение линии излу- туры системы, а среднее расстояние между частицачательной рекомбинации IX в ДКЯ GaAs/Al0.3Ga0.7As ми определяется с помощью выражения d =(N)-1/D, при изменении внешнего электрического поля и тем- где D — размерность системы. Для экситонов массы 140 В.В. Криволапчук, А.Л. Жмодиков, Е.С. Москаленко m = 0.6m0 (m0 — эффективная масса электрона) возникновение БЭК возможно при температурах T < TC (TC — значение критической температуры), легко достижимых для He4, и плотности выше некоторого (критического) значения nC 108 cm-2. Возникновение БЭК влечет за собой появление и эволюцию нетривиальных особенностей в спектрах излучения линии IX, таких как значительное сужение (FWHM < 0.15 meV), гигантское увеличение интенсивности (более 3 раз), появление долговременных (период порядка минуты) колебаний интенсивности этой линии [8], возникновение циркулярной и линейной поляризации линии излучения (IX) [9].

Следовательно, вся совокупность экспериментальных Рис. 1. a) Схема эксперимента. b) Схема зонной структуры данных, описывающих эволюцию линии излучения IX образца в „непрямом“ режиме. DXW (DXN) и IX обозначают в ДКЯ, может быть самосогласованным образом объяслинии PL прямого экситона в широкой (узкой) КЯ и непрямого нена возникновением бозе-эйнштейновского конденсата.

экситона соответственно.

Однако для полноты картины необходимо обнаружение в излучении IX совокупности когерентных эффектов, обусловленных именно коллективным поведением эклись на ДКЯ 10.18/3.82/9.61. Постоянное электричеситонов при существовании БЭК [10]. Когерентность ское напряжение Vdc прикладывалось к двум индиесостояний порождает когерентность излучаемого этими вым контактам, нанесенным на подложку и лицевую состояниями света. Из анализа совокупности эксперисторону образца с ДКЯ (рис. 1, a). Возбуждение и ментальных данных и параметров, характеризующих регистрация PL осуществлялись через небольшое отархитектуру структуры, следует, что возникновение коверстие (0.2 0.2mm) в контакте со стороны ДКЯ герентности вследствие реализации вынужденного из(рис. 1, a). Образец освещался излучением непрерывлучения (лазерный эффект) мало вероятно. Поэтому в ного Ti : Sp-лазера (интенсивность < 10 mW, диаметр качестве альтернативы вынужденному излучению можсфокусированного лазерного пятна на образце составно рассматривать спонтанное когерентное излучение лял 100-200 µm). Возбуждение осуществлялось либо (сверхизлучение).

резонансно с экситоном в узкой яме (hex = 1.557 eV), Целью нашей работы является выяснение возможлибо выше по энергии. При этом величина hex возбуности режима сверхизлучения в люминесценции конждающего света всегда соответствовала подбарьерному денсированных пространственно-непрямых экситонов, а возбуждению ДКЯ. Образец помещался в стеклянный также обнаружение корреляции характера излучения с гелиевый криостат (обеспечивающий температуру обфазой конденсированного состояния экситонов. Для эторазца T = 1.8K) так, чтобы его поверхности с доступго исследовались спектральные характеристики линии ной точностью лежала в вертикальной плоскости при излучения IX в зависимости от внешнего электричефиксированной ориентации кристаллографических осей.

ского поля Vdc, плотности мощности возбуждающего Криостат поворачивался вокруг вертикальной оси в диасвета I, угла () между осью роста структуры (перp пазоне углов 0-35 с точностью 30. Это обеспечивало пендикулярной плоскости образца) и оптической осью изменение как угла падения возбуждающего лазерноспектрометра (направлением регистрации PL).

го луча, так и угла регистрации люминесценции ().

C целью корректного измерения угловой зависимости позиционирование лазерного пятна на образце и его 2. Образцы и методика эксперимента размер контролировались с помощью телевизионной системы в реальном масштабе времени. Линейная поИсследованные образцы были выращены методом ляризация света лазера устанавливалась таким образом, молекулярно-пучковой эпитаксии при T = 630Cна под- чтобы вектор электрического поля был горизонтальным ложке GaAs (001) толщиной 0.4 mm. Последователь- (p-компонента). Спектры люминесценции ДКЯ регино выращены тонкий (1 µm) буферный слой GaAs и стрировались при помощи двойного дифракционного три пары несколько асимметричных КЯ (КЯ/барьер спектрометра ДФС-52 в режиме счета фотонов. За Al0.33Ga0.67As/КЯ) с толщинами в nm: 20.07/3.82/19.5, последним объективом регистрирующей системы рас10.18/3.82/9.61 и 8.20/3.82/7.63, а также защитный слой полагался анализатор (линейный поляризатор), а для GaAs (5nm) на лицевой границе образца. ДКЯ отде- компенсации фоновой поляризации системы перед входлены друг от друга и от буферного слоя барьерами ной щелью спектрометра помещался деполяризующий Al0.33Ga0.67As толщиной 20 nm. Исследования проводи- клин.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Излучение конденсата экситонов в двойных квантовых ямах 3. Экспериментальные результаты и обсуждение На рис. 2 представлены спектры люминесценции ДКЯ в зависимости от значений Vdc (указанных на рисунке), зарегистрированные при T = 1.8 K и плотности мощности оптического возбуждения 5 W · cm-2. При Vdc = 0 в системе ДКЯ реализуется „прямой“ режим, соответствующий плоским зонам, что позволяет зарегистрировать в спектре PL линии излучения прямых экситонов (каждый из которых находится в одной из КЯ) из широкой (DXW) и узкой (DXN) КЯ. При значении Vdc, отличном от нуля, реализуется „непрямой“ режим (рис. 1, b), при котором линия IX занимает самое нижнее энергетическое положение в спектрах PL и монотонно смещается в сторону низких энергий при увеличении Vdc (рис. 2), в то время как линии DXW и DXN не изменяют своего спектрального положения. Следует отметить, что все спектры PL, представленные на рис. 2 (за исключением верхнего спектра), получены при величине hex, Рис. 3. Зависимости lin от I, измеренные при T = 1.8K, p EIX = 1.545 eV и значениях угла = 13.5 (1) и 10 (2).

резонансной с энергетическим положением линии DXN, при которой обсуждаемая далее угловая зависимость особенностей PL наиболее ярко выражена.

При исследовании фотолюминесценции ДКЯ было обнаружено, что спектры излучения линейно поляризованы, причем степень линейной поляризации p p p lin =(IPL - Is )/(IPL + Is ) (где IPL и Is — интенPL PL PL сивности PL) зависит от угла. Спектры регистрировались при положении анализатора параллельно и перпендикулярно направлению линейной поляризации возбуждающего света. При анализе угловой зависимости следует иметь в виду особенность излучающей системы пространственно-непрямых экситонов в ДКЯ. Она заключается в том, что экситоны состоят из пространственно разделенных электронов и дырок.

Вследствие этого подсистема IX-экситонов обладает отличным от нуля макроскопическим электрическим дипольным моментом P = eD, где |D| — расстояние между электронами и дырками в разных слоях.

В этом случае возбуждение эффективно только при максимальной величине проекции вектора электрического поля возбуждающего света на ось диполя. В наших экспериментах ориентация вектора E задавалась поляризатором в канале возбуждения. При повороте образца на угол проекция E (Es ) изменялась и тем самым изменялась эффективность возбуждения и регистрации PL. Однако простая оценка показывает, Рис. 2. Спектры PL, измеренные при T = 1.8K, что в диапазоне углов эти изменения (обусловI = 5W· cm-2, = 13.5 и различных значениях Vdc, p ленные изменением величины ES) невелики и поэтому указанных у соответствующего спектра. Для ясности спектры не могут быть причиной зависимости спектров излуPL вертикально смещены. Вертикальные стрелки указывают чения от угла. На рис. 3 представлены зависимости значение hex, использованное для фотовозбуждения. На lin от I для двух фиксированных значений углов:

вставке — зависимость FWHM линии IX от I, измеренная p p при T = 1.8K, = 13.5 и Vdc = -2V (EIX = 1.545 eV). = 13.5 и 10. Эти зависимости зарегистрированы в Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 142 В.В. Криволапчук, А.Л. Жмодиков, Е.С. Москаленко случае, когда максимум линии IX имеет спектральное величиной 10-8 s, приведенное соотношение времен положение EIX = 1.545 eV. Таким образом, излучение c, d, r накладывает существенные ограничения на экспространственно-непрямых экситонов (рис. 3) имеет периментальные возможности наблюдения сверхизлучедиаграмму направленности с весьма малой угловой ния (d мало, и корреляция может не установиться). Из шириной 1.5-2.5.

существования БЭК следует, что верхний уровень предАнализ большого числа серий спектров излучения ставляет собой состояние экситонов с большой длиной показал, что возникновение lin у линии излучения когерентности (D Lc 150 nm). Данный факт и обуIX наблюдается только в узком интервале плотностей словленное этим существование отличного от нуля мамощности оптической накачки I 1.5-2.5W· cm-2 кроскопического дипольного момента P = eD означают p (рис. 3). Как при меньших, так и при больших I зависи p смягчение неравенства c

ла показана прямая связь между шириной спектральной Для оценки возможности возникновения сверхизлучелинии IX и возникновением в системе газа IX новой колния будем считать, что область, в которой находятся лективной фазы [7]. Зависимость FWHM от I, зарегиp излучатели, представляет собой цилиндр с площадью стрированная при EIX = 1.545 eV, приведена на вставке основания S (пятно возбуждения) и длиной L. Длина к рис. 2. При этом важным обстоятельством является то, волны () излучения в вакууме равняется 804.4 nm, что минимальная величина FWHM 1.6 meV, отражаа линейный размер флуктуации, в которой реализующая возникновение конденсированного состояния [7], ется БЭК экситонов, следует ожидать более 100 nm.

наблюдается при I = 2.5W· cm-2 (вставка на рис. 2).

Pages:     || 2 |



© 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.