Тип проекта: РФФИ-ННИО_а
Название проекта: «Динамика четырехволнового смешения с участием спинов»
Project name: «Transient four-wave mixing with spins»
Руководитель проекта: С. В. Полтавцев
№ РФФИ: 19-52-12046
Начало проекта: 2019
Конец проекта: 2023
Исполнители:
Я. А. Бабенко
Ю. В. Капитонов
Р. С. Назаров
И. А. Соловьев
А. В. Трифонов
И. А. Югова
Аннотация: Одной из идей для реализации хранения и манипуляции оптической информацией является использование спиновых состояний в полупроводниковых материалах. В связи с этим, особый интерес представляют полупроводниковые гетероструктуры с резидентными носителями, такие как легированные квантовые ямы или заряженные квантовые точки. Во-первых, они обладают достаточно большой силой осциллятора экситонных переходов, что позволяет осуществлять быструю запись с помощью коротких лазерных импульсов на субпикосекундных временах. Во-вторых, спины резидентных носителей способны хранить когерентное состояние, то есть помнить информацию, в течение значительного времени, достигающего в квантовых точках микросекунд. Эффективное использование этих свойств для записи, хранения и считывания оптической информации требует детального понимания оптических и спиновых когерентных процессов, протекающих в этих системах. Наиболее эффективными методами исследования когерентной динамики оптических возбуждений в полупроводниках являются методы четырехволнового смешения и фотонного эха. Однако, в большинстве исследований с применением этих методов в полупроводниках до сих пор не использовалась спиновая степени свободы в основном состоянии. Ранее нами было показано, что с помощью эффекта долгоживущего фотонного эха, индуцированного магнитным полем, удается осуществлять запись, длительное хранение в электронных спинах и считывание оптической информации в квантовой яме CdTe/(Cd,Mg)Te при низкой температуре [L. Langer, S. V. Poltavtsev, et al., Nature Photonics 8, 851 (2014)]. В рамках настоящего Проекта мы будем исследовать оптическую и спиновую когерентную динамику экситонов и экситонных комплексов в различных полупроводниковых наноструктурах, в том числе с квантовыми ямами и квантовыми точками, с помощью методов спин-зависимого четырехволнового смешения и фотонного эха с приложением внешнего магнитного поля. Нами будут изучены механизмы потери когерентности в ансамбле спинов резидентных носителей, приводящих к сохращению времени хранения оптической информации. Глубокое понимание спин-зависимой оптической когерентной динамики полупроводниковых гетероструктур и механизмов релаксации спинов резидентных носителей является ключевым в реализации оптической памяти на полупроводниковых материалах.
Annotation: One of the main ideas for the realization of storage and manipulation of optical information is to exploit spin states in semiconductor materials. In this relation, semiconductor heterostructures with resident carriers such as doped quantum wells or charged quantum dots are of special interest. First, they possess a sufficiently large oscillator strength of optical transitions, which allows for a fast optical writing using laser pulses on sub-ps timescale. Second, the resident spins are capable of storage of coherent state during significant times reaching microseconds in case of quantum dots. Efficient usage of these properties for writing, storage and retrieval of the optical information requires a detail understanding of optical and spin coherent processes occurring in these systems. The most efficient methods to study the coherent dynamics of optical excitations in semiconductors are the four-wave-mixing and photon echoes. However, no spin degree of freedom has been addressed so far in the most studies based on these methods. We have shown earlier that by using the long-lived magnetic-field-induced photon echoes it is possible to perform writing, storage in spins and reading of the optical information in CdTe/(Cd,Mg)Te quantum well at low temperature [L. Langer, S. V. Poltavtsev, et al., Nature Photonics 8, 851 (2014)]. In the frame of the Project, we will investigate optical and spin coherent dynamics of excitons and exciton complexes in different semiconductor nanostructures, including quantum wells and quantum dots, using the methods of spin-dependent four-wave-mixing and photon echoes under applied external magnetic field. We will study mechanisms of coherence loss in spin ensemble of resident carriers, which result in shortening of optical information storage time. A deep understanding of spin-dependent optical coherent dynamics of semiconductor nanostructures and relaxation mechanisms of resident carrier spins plays a key in the realization of the semiconductor material-based optical memory.
Название проекта: «Динамика четырехволнового смешения с участием спинов»
Project name: «Transient four-wave mixing with spins»
Руководитель проекта: С. В. Полтавцев
№ РФФИ: 19-52-12046
Начало проекта: 2019
Конец проекта: 2023
Исполнители:
Я. А. Бабенко
Ю. В. Капитонов
Р. С. Назаров
И. А. Соловьев
А. В. Трифонов
И. А. Югова
Аннотация: Одной из идей для реализации хранения и манипуляции оптической информацией является использование спиновых состояний в полупроводниковых материалах. В связи с этим, особый интерес представляют полупроводниковые гетероструктуры с резидентными носителями, такие как легированные квантовые ямы или заряженные квантовые точки. Во-первых, они обладают достаточно большой силой осциллятора экситонных переходов, что позволяет осуществлять быструю запись с помощью коротких лазерных импульсов на субпикосекундных временах. Во-вторых, спины резидентных носителей способны хранить когерентное состояние, то есть помнить информацию, в течение значительного времени, достигающего в квантовых точках микросекунд. Эффективное использование этих свойств для записи, хранения и считывания оптической информации требует детального понимания оптических и спиновых когерентных процессов, протекающих в этих системах. Наиболее эффективными методами исследования когерентной динамики оптических возбуждений в полупроводниках являются методы четырехволнового смешения и фотонного эха. Однако, в большинстве исследований с применением этих методов в полупроводниках до сих пор не использовалась спиновая степени свободы в основном состоянии. Ранее нами было показано, что с помощью эффекта долгоживущего фотонного эха, индуцированного магнитным полем, удается осуществлять запись, длительное хранение в электронных спинах и считывание оптической информации в квантовой яме CdTe/(Cd,Mg)Te при низкой температуре [L. Langer, S. V. Poltavtsev, et al., Nature Photonics 8, 851 (2014)]. В рамках настоящего Проекта мы будем исследовать оптическую и спиновую когерентную динамику экситонов и экситонных комплексов в различных полупроводниковых наноструктурах, в том числе с квантовыми ямами и квантовыми точками, с помощью методов спин-зависимого четырехволнового смешения и фотонного эха с приложением внешнего магнитного поля. Нами будут изучены механизмы потери когерентности в ансамбле спинов резидентных носителей, приводящих к сохращению времени хранения оптической информации. Глубокое понимание спин-зависимой оптической когерентной динамики полупроводниковых гетероструктур и механизмов релаксации спинов резидентных носителей является ключевым в реализации оптической памяти на полупроводниковых материалах.
Annotation: One of the main ideas for the realization of storage and manipulation of optical information is to exploit spin states in semiconductor materials. In this relation, semiconductor heterostructures with resident carriers such as doped quantum wells or charged quantum dots are of special interest. First, they possess a sufficiently large oscillator strength of optical transitions, which allows for a fast optical writing using laser pulses on sub-ps timescale. Second, the resident spins are capable of storage of coherent state during significant times reaching microseconds in case of quantum dots. Efficient usage of these properties for writing, storage and retrieval of the optical information requires a detail understanding of optical and spin coherent processes occurring in these systems. The most efficient methods to study the coherent dynamics of optical excitations in semiconductors are the four-wave-mixing and photon echoes. However, no spin degree of freedom has been addressed so far in the most studies based on these methods. We have shown earlier that by using the long-lived magnetic-field-induced photon echoes it is possible to perform writing, storage in spins and reading of the optical information in CdTe/(Cd,Mg)Te quantum well at low temperature [L. Langer, S. V. Poltavtsev, et al., Nature Photonics 8, 851 (2014)]. In the frame of the Project, we will investigate optical and spin coherent dynamics of excitons and exciton complexes in different semiconductor nanostructures, including quantum wells and quantum dots, using the methods of spin-dependent four-wave-mixing and photon echoes under applied external magnetic field. We will study mechanisms of coherence loss in spin ensemble of resident carriers, which result in shortening of optical information storage time. A deep understanding of spin-dependent optical coherent dynamics of semiconductor nanostructures and relaxation mechanisms of resident carrier spins plays a key in the realization of the semiconductor material-based optical memory.
Publications:
- A. V. Trifonov, I. A. Yugova, A. N. Kosarev, Ya. A. Babenko, A. Ludwig, A. D. Wieck, D. R. Yakovlev, M. Bayer and I. A. Akimov, Long-lived photon echo induced by nuclear spin fluctuations in charged InGaAs quantum dots, Phys. Rev. B 109, L041406 (2024)
- Alexander N. Kosarev, Artur V. Trifonov, Irina A. Yugova, Iskander I. Yanibekov, Sergey V. Poltavtsev, Alexander N. Kamenskii, Sven E. Scholz, Carlo Alberto Sgroi, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Dmitri R. Yakovlev, Manfred Bayer and Ilya A. Akimov, Extending the time of coherent optical response in ensemble of singly-charged InGaAs quantum dots, Commun Phys 5, 144 (2022)
- A. V. Trifonov, I. A. Akimov, L. E. Golub, E. L. Ivchenko, I. A. Yugova, A. N. Kosarev, S. E. Scholz, C. Sgroi, A. Ludwig, A. D. Wieck, D. R. Yakovlev and M. Bayer, Homogeneous optical anisotropy in an ensemble of InGaAs quantum dots induced by strong enhancement of the heavy-hole band Landé parameter q, Phys. Rev. B 104, L161405 (2021)
- I. A. Solovev, I. I. Yanibekov, Yu. P. Efimov, S. A. Eliseev, V. A. Lovcjus, I. A. Yugova, S. V. Poltavtsev and Yu. V. Kapitonov, Long-lived dark coherence brought to light by magnetic-field controlled photon echo, Phys. Rev. B 103, 235312 (2021)
- Alexander N. Kosarev, Hendrik Rose, Sergey V. Poltavtsev, Matthias Reichelt, Christian Schneider, Martin Kamp, Sven Höfling, Manfred Bayer, Torsten Meier and Ilya A. Akimov, Accurate photon echo timing by optical freezing of exciton dephasing and rephasing in quantum dots, Commun Phys 3, 228 (2020)
Russian (Russia) 
English (United Kingdom)