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

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 проекта 18-72-10073

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

Руководитель Белых 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

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 слова спин, спиновая динамика, GaAs, квантовые ямы, квантовые точки, накачка-зондирование

Код ГРНТИ29.19.31

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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
10.1103/PhysRevB.99.161205

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)
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)
10.1103/PhysRevB.101.085301

4. 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)

5. 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)
10.1038/s41598-020-70036-8

6. 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)
10.1134/S0021364020110041

7. 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)
10.1103/PHYSREVB.102.075201

Публикации