Защиты диссертаций

Целью диссертационной работы является исследование фундаментальных процессов, ответственных за эволюцию экситонных возбуждений при резонансной и не резонансной оптической накачке, в гетероструктурах рекордного качества.
Основные результаты диссертационной работы.
1. Показано, что в высококачественных гетероструктурах, имеющих предельно малое число дефектов, излучательная рекомбинация является наиболее эффективным процессом экситонной релаксации и является основным механизмов спектрального уширения экситонного резонанса. Для возбужденных размерно-квантованных экситонных состояний, вероятность излучательной рекомбинации существенно меньше, а также увеличена скорость фононной релаксации, что приводит к конкуренции этих процессов.
2. Обнаружено, что основным механизмом фазовой релаксации излучающих экситонов в высококачественных гетероструктурах при низких температурах является экситон-экситонное рассеяние и рассеяние экситонов на свободных носителях. Из-за большого времени жизни неизлучающих экситонов при низких температурах происходит их накопление в резервуаре, в результате чего экситон-экситонное рассеяние становиться существенным даже при малых плотностях накачки P ~ 1 Вт/см2.
3. Продемонстрировано, что при увеличении температуры образца включаются температурно-активируемые процессы диссоциации экситонов и выброса носителей из квантовой ямы, что уменьшает квантовый выход фотолюминесценции, а также уменьшает скорость фазовой релаксации излучающих экситонов.
4. Обнаружено, что зависящая от температуры образца скорость диссоциации экситонов и выброса носителей сравнима со скоростью экситонной релаксации из неизлучающих состояний в излучающие уже при температурах T ~ 15 К. При этом, скорость диссоциации еще на несколько десятичных порядков меньше, чем скорость излучательной рекомбинации.
5. Показано, что при когерентном возбуждении нескольких размерно-квантованных экситонных состояний в квантовой яме реализуются условия для квантовых биений, связанных с квантовой интерференцией этих экситонных состояний.
6. Развита теоретическая модель, описывающая квантовые биения размерно-квантованных экситонных состояний в квантовых ямах и механизмы проявления квантовых биений в эксперименте накачка-зондирование. Эта модель предсказывает, что время затухания осцилляций сигнала при положительных и отрицательных временах определяется различными физическими процессами дефазировки возбуждения. Поэтому изучение этим методом квантовых биений такого типа позволяет одновременно изучать фазовую релаксацию на оптической частоте, а также взаимную когерентность нескольких размерно-квантованных экситонных состояний.
Список публикаций автора по теме диссертации:
1. A. V. Trifonov, S. N. Korotan, A. S. Kurdyubov, I. Ya. Gerlovin, I. V. Ignatiev, Yu. P. Efimov, S. A. Eliseev, V. V. Petrov, Yu. K. Dolgikh, V. V. Ovsyankin, and A. V. Kavokin, "Nontrivial relaxation dynamics of excitons in high-quality InGaAs/GaAs quantum wells”, Physical review B 91, 115307 (2015).
2. A. V. Trifonov, I. Ya. Gerlovin, I. V. Ignatiev, I. A. Yugova, R. V. Cherbunin, Yu. P. Efimov, S. A. Eliseev, V. V. Petrov, V. A. Lovtcius, and A. V. Kavokin, "Multiple-frequency quantum beats of quantum confined exciton states”, Physical review B 92, 201301(R) (2015).
3. A. Tzimis, A. V. Trifonov, G. Christmann, S. I. Tsinzos, Z. Hatzopoulos, I. V. Ignatiev, A. V. Kavokin, "Strong coupling and stimulated emission in single parabolic quantum well microcavity for terahertz cascade”, Applied Physics Letters 107, 101101 (2015).

Целью диссертационной работы являлись магнито-оптические исследования спиновой динамики в полупроводниковых гетероструктурах с одиночными и двойными квантовыми ямами, определение динамических характеристик спиновых состояний в исследуемых системах, возможных способов управления экситонным спином и оптимизация условий, при которых наблюдаются максимальные времена спиновой когерентности и углы керровского вращения.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1. Экспериментально продемонстрированы близкие к теоретическому пределу углы фотоиндуцированного керровского вращения в полупроводниковом микрорезонаторе с квантовой ямой.
2. Математическое моделирование экспериментальных данных показало, что условия получения максимальных углов керровского вращения представляют собой баланс между необходимостью максимизации фотоиндуцированных экситонных эффектов (зависящих от поляризации, синего сдвига и уменьшения силы осциллятора) в области нулевой отстройки моды резонатора и минимизации поглощения в резонаторе для достижения условия согласования импеданса.
3. Для экситонов в двойной квантовой яме выявлены два режима распада спиновой когерентности в зависимости от напряженности электрического поля, приложенного вдоль оси роста структуры. При малой величине электрического поля энергия непрямых экситонов больше, чем прямых, и магнитное поле в плоскости образца приводит к появлению магнитного квантово-размерного эффекта Штарка. При этом прямые и непрямые экситоны смешиваются, и время экситонной спиновой релаксации изменяется в зависимости от степени этого смешивания, причем немонотонно при увеличении магнитного поля. В больших электрических полях состояния непрямых экситонов оказываются нижними экситонными состояниями системы, и время экситонной спиновой релаксации становится обратно пропорциональным величине магнитного поля, приложенного в плоскости образца. Этот эффект объясняется неоднородным распределением g-факторов непрямых экситонов, в частности, вследствие увеличения вероятности их локализации в квантовой яме.
Понимание ведущей роли, которую играет согласование импеданса, критически важно для разработки образцов с гигантским усилением оптической гиротропии. Эти результаты — важный шаг для создания быстрых оптических модуляторов поляризации, работающих при нулевом магнитном поле.

Диссертация нацелена на теоретическое исследование динамики взаимодействующих спинов электронов и ядер в структурах с квантовыми точками. В диссертационной работе развит ряд моделей, позволяющих описывать спиновую динамику взаимодействующих электронов и ядер. Результаты модельных расчетов всюду, где это возможно, сопоставлены с данными экспериментов, проведенных на ансамблях квантовых точек (In,Ga)As/GaAs, содержащих одиночные электроны.
Первая глава диссертации содержит достаточно полный и адекватный обзор литературы по проблемам, связанным с взаимодействием спинов ядерной и электронной систем в полупроводниках, в ней обоснована постановка задач, решаемых в диссертации. Дальнейшие главы диссертации содержат новые и оригинальные научные результаты.
Вторая глава диссертационной работы содержит изложение и анализ простой, но при этом оригинальной и эффективной, модели описания энергетического спектра носителей заряда в квантовых точках (In,Ga)As/GaAs, учитывающей особенности структуры зон таких полупроводниковых соединений и деформационные эффекты, а также принимающей во внимание диффузию атомов индия в процессе отжига образцов. Разработанная модель позволяет описать оптические спектры целой серии образцов (In,Ga)As/GaAs, отличающихся условиями отжига с использованием минимального числа подгоночных параметров.
В главе 3 диссертации модель случайных ядерных спиновых флуктуаций в кванто-вых точках, предложенная И.А. Меркуловым, Ал.Л. Эфросом и М. Розеном, применена для расчетов дисперсии флуктуаций в ансамблях квантовых точек (In,Ga)As/GaAs. Проанализировано подавление роли ядерных флуктуаций в спиновой дефазировке электронов для случая, когда внешнее магнитное поле приложено в направлении фото-возбуждаемого электронного спина. Результаты модельного расчета хорошо согласуются с данными эксперимента без использования дополнительных подгоночных параметров.
В четвертой главе выполнены расчеты совместной динамики спинов электронов и ядер при оптической накачке системы электронных спинов последовательностью коротких оптических импульсов, а также в случае постоянной накачки с поляризацией света, периодически зависящей от времени. Для описания взаимодействия спинов электронов и ядер развита «ступенчатая» модель сверхтонкого взаимодействия, предложенная Г.Г. Козловым, в которой из всего множества ядер, взаимодействующих с электроном, выделяются группы с близкими константами связи. Проанализирована зависимость эффективности динамической ядерной поляризации от времени накачки и других параметров модели. Кроме этого, расчеты, выполненные в диссертации, качественно описывают эффект переполяризации ядер в квантовых точках (In,Ga)As/GaAs, наблюдаемый в экспериментах.
Глава 5 диссертационной работы содержит сопоставление полуклассического подхода к описанию динамики электронных и ядерных спинов, основанного на уравнениях Блоха для совместной прецессии электронного спина и спина ядерной флуктуации, и квантовомеханической модели, оперирующей ядерной матрицей плотности. Продемонстрирован ряд важных случаев, где обе модели дают одинаковые результаты. Установлены ограничения для классического подхода, в частности, указаны различия в функциях распределения ядерных спинов, в режиме синхронизации мод спиновой прецессии, возникающим при периодической оптической накачке электронных спинов.
Основныепубликациипотемедиссертации:
1. M. Yu. Petrov, I. V. Ignatiev, S. V. Poltavtsev, A. Greilich, A. Bauschulte, D. R.Yakovlev, and M. Bayer, “Effect of thermal annealing on the hyperfine interactionin InAs/GaAs quantum dots,” Phys. Rev. B78, 045315 (2008).
2. M. Yu. Petrov, G. G. Kozlov, I. V. Ignatiev, R. V. Cherbunin, D. R. Yakovlev, andM. Bayer, “Coupled electron-nuclear spin dynamics in quantum dots: A gradedbox model approach,” Phys. Rev. B80, 125318 (2009).
3. K. Flisinski, I. Ya. Gerlovin, I. V. Ignatiev, M. Yu. Petrov, S. Yu. Verbin, D. R.Yakovlev, D. Reuter, A. D. Wieck, and M. Bayer, “Optically detected magneticresonance at the quadrupole-split nuclear states in (In,Ga)As/GaAs quantum dots,”Phys. Rev. B82, 081308(R) (2010).
4. M. Yu. Petrov, S. V. Yakovlev, I. V. Ignatiev, D. R. Yakovlev, and M. Bayer, “Effectof magnetic field on the electron-nuclear spin dynamics in quantum dots,” J. Phys.:Conf. Ser.245, 012028 (2010).
5. R. V. Cherbunin, K. Flisinski, I. Ya. Gerlovin, I. V. Ignatiev, M. S. Kuznetsova,M. Yu. Petrov, D. R. Yakovlev, D. Reuter, A. D. Wieck, and M. Bayer, “Resonantnuclear spin pumping in (In,Ga)As quantum dots,” Phys. Rev. B84, 041304(R)(2011).
6. М. Ю. Петров, С. В. Яковлев, “Сравнение квантово-механического и полуклассического подходов для анализа спиновой динамики в квантовых точках,”ЖЭТФ 142, 363 (2012), [JETP,115, 326 (2012)]

This work presents original results of investigation of nuclear spin dynamics in nanostructures with negatively charged InGaAs/GaAs quantum dots characterized by strong quadrupole splitting of nuclear spin sublevels. The main method of the investigation is the experimental measurement and theoretical analysis of the photoluminescence polarization as the function of the transverse magnetic field (effect Hanle).
The dependence of the Hanle curve on temporal protocol of excitation is examined. Experimental data are analyzed using an original approach based on separate consideration of behavior of the longitudinal and transverse components of nuclear polarization. The rise and decay times of each component of nuclear polarization and their dependence on transverse magnetic field strength are determined. New effect of resonant optical pumping of nuclear spin polarization in an ensemble of singly charged (In,Ga)As/GaAs quantum dots subject to a transverse magnetic field is observed. Electron spin orientation by circularly polarized light with the polarization modulated at the nuclear spin transition frequency is found to create a significant nuclear spin polarization, precessing about the magnetic field. Nuclear spin resonances for all isotopes in the quantum dots are found in that way. In particular, transitions between states splitted off from the <±1/2| doublets by the nuclear quadrupole interaction are identified.
INCLUDED ARTICLES
PI Cherbunin R. V., Kuznetsova M. S., Gerlovin I. Ya., Ignatiev I. V., Dolgich Yu.K., Efi mov Yu. P., Eliseev S. A., Petrov V. V., Poltavsev S. V., Larionov A. V., Ill’in A. I. Carrier spin dynamics in GaAs/AlGaAs quantum wells with a laterally localizing electric potential, Physics of Solid State 51 (4), pp. 837-840, 2009 (Web of Science, Scopus).
PII Verbin S. Yu., Gerlovin I. Ya., Ignatiev I. V., Kuznetsova M. S., Cherbunin R. V., Flisinski K., Yakovlev D., Bayer M. Dynamics of Nuclear Polarization in InGaAs Quantum Dots in a Transverse Magnetic Field, Journal of Experimental and Th eoretical Physics, 114, 4, pp. 681-690, 2012. (Web of Science, Scopus).
PIII Kuznetsova M. S., Flisinski K., Gerlovin I. Ya., Ignatiev I. V., Kavokin K. V., Verbin S. Yu., Reuter D., Wieck A. D., Yakovlev D., and Bayer M. Hanle eff ect in (In,Ga)As quantum dots: Role of nuclear spin fl uctuations, Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, Vol 87, P. 235320, 2013. (Web of Science, Scopus).
PIV Cherbunin R. V., Flisinski K., Gerlovin I. Ya., Ignatiev I. V., Kuznetsova M. S., Petrov M. Yu., Yakovlev D. R., Reuter D., Wieck A. D., and Bayer M. Resonant nuclear spin pumping in (In,Ga)As quantum dots. Physical Review B — Condensed Matter and Materials Physics, Vol. 84, № 4, P. 041304(R), 2011. (Web of Science, Scopus).

In semiconductor heterostructures, the absorption of circularly polarized light (optical pumping) leads to the formation of spin-oriented photoelectrons. In this case, the magnetic moments of the crystal lattice of the nuclei become polarized due to the hyperfine interaction with the polarized electron spins. As a result of this interaction, a strongly coupled electron-nuclear spin system is created.
We study the samples with the thick InGaAs epitaxial layers n-doped with Si. We measure the depolarization of photoluminescence in the external magnetic field applied perpendicular to the growth axis of the structure (the Hanle effect). Several samples are studied with different concentrations of donors: n=10^15 cm-3 in the sample Т776, n=5×10^14 cm-3 in the sample Т777, and n=10^16 cm-3 in the sample Т769. In one of the samples, large degree of circular polarization of the photoluminescence is observed up to ρ = 15%, see Fig. 1(a). This polarization degree is approximately 3 times larger than that in bulk GaAs with similar concentrations of donors. The central peaks of the Hanle curves demonstrate very small width. This is clear indication of a high quality of the structures under study. The measured Hanle curves with continuous-wave (CW) excitation demonstrate a well-pronounced W-structure, which is evidence for a strong electron nuclear spin interaction.
The obtained results allow us to conclude that the studied samples are promising for the further study of electron-nuclear spin interactions and for the creation of a magnetically ordered nuclear spin system.

Данная работа посвящена изучению механизмов релаксации экситонов, приводящих к бличингу. В частности в настоящей работе приведены результаты исследований стационарного эффекта фотоиндуцированного просветления образцов с КЯ при оптическом возбуждении различными способами. Показана возможность компенсации эффекта дополнительным оптическим возбуждением. В ходе исследований также были проведены эксперименты с временным разрешением по изучению отклика КЯ на оптическое возбуждение.

Полученные результаты изложены в опубликованной работе в научном журнале Journal of Physics: Conference series 2015, а также были представлены на конференции "SPB OPEN 2015".

В настоящей работерассмотрена микроскопическая теория диэлектрического отклика экситонов в квантовых ямах (КЯ), описывающая влияние экситонных резонансов на формирование спектров отражения света. В рамках этой теории было проведено моделирование спектров отражения света от прямоугольной КЯ InGaAs/GaAsпри нормальном и наклонном падении света на образец, показавшее хорошее согласие теории и эксперимента. Из подгонки спектров были получены значения скоростей радиационного и нерадиационного затухания экситонов, количественно демонстрирующие более высокое качество исследуемой структуры, по сравнению с аналогичными структурами, известными в литературе.

Была высказана гипотеза о влиянии асимметрии КЯ на введенные в настоящей работе фазы экситонных резонансов, определяющие вклад отдельных резонансов в итоговыйспектр отражения. Для проверки этой гипотезы была исследована специально выращенная структура, содержащая треугольную КЯ. Подгонка экспериментального спектра отражения от этой структуры показала немонотонное поведение фаз, причина которого требует дальнейшего изучения. В то же время, высказанную гипотезу можно считать подтвержденной.

Списокпубликаций

1. A. V. Trifonov, A. S. Kurdyubov, S. N. Korotan, I. Ya. Gerlovin, Yu. P. Efimov, Yu. K. Dolgikh, S. A. Eliseev, and V. V. Petrov, “Energy relaxation of hot excitons in InGaAs/GaAs quantum well”, Proceedings of the 22ndInternational Symposium “Nanostructures: Physics and Technology”, Saint Petersburg, 2014.
2. A.V.Trifonov, S. N. Korotan, A. S. Kurdyubov, I. Ya. Gerlovin, I. V. Ignatiev, Yu. P. Efimov, S. A. Eliseev, V. V. Petrov, Yu. K. Dolgikh, V. V. Ovsyankin, and A.V.Kavokin, “Nontrivial relaxation dynamics of excitons in high-quality InGaAs/GaAs quantum wells”, Physical Review B, 115307 (2015).