Проект 19-52-12059

Тип проекта: РФФИ-ННИО_а
Название проекта: «Управление когерентностью сложных спиновых ансамблей в полупроводниковых наноструктурах»
Руководитель проекта: И. А. Югова
№ РФФИ: 19-52-12059
Начало проекта: 2019
Конец проекта: 2022
Исполнители:
И.В. Игнатьев
А. В. Михайлов
Ф. С. Григорьев
Е. С. Храмцов
Б. Ф. Грибакин

Аннотация: В помещенном в магнитное поле неоднородном ансамбле локализованных спинов, периодически ориентируемых лазерными импульсами, возникает эффект спиновой синхронизации, когда частота ларморовской прецессии спинов оказывается кратной частоте следования лазерных импульсов. Аналогичный эффект возникает при подстройке частоты прецессии под действием ядерных спинов. В последнем случае, подстройка осуществляется за счет сверхтонкого электронно-ядерного взаимодействия, способствующего выполнению условий синхронизации. Наши недавние исследования, проведенные с использованием усовершенствованного метода «накачки-зондирования», позволили изучить с пикосекундным разрешением долговременную динамику спиновых ансамблей, развивающуюся после прекращения импульсного воздействия. Динамика оказалась исключительно сложной, и для ее теоретического описания потребовалось интенсивное взаимодействие с исполнителями проекта А4. На предыдущих стадиях нами исследовались самоорганизованные InGaAs/GaAs квантовые точки. Исследование этих структур, отличающихся высокими оптическими качествами, было затруднено из-за присущих им внутренних напряжений и наличия сложного изотопного состава ядер. В настоящем проекте, для получения более ясной картины, мы планируем перейти к GaAs/AlGaAs квантовым точкам, выращенным капельной эпитаксией, которые в значительной степени лишены этих недостатков. При этом мы продолжим изучение квантовых точек на основе InGaAs ( менее напряженные InGaAs/InP-точки и InGaAs/GaAs, помещенные в слои, снимающие напряжения). Исследование этих структур, интересных с точки зрения практических применений, позволит получить более полную информацию о возможности когерентного управления спиновыми ансамблями. Одна из задач исследований – установление возможности уменьшить влияние флуктуирующего ядерного поля за счет эффекта синхронизации мод спиновой прецессии. С этой целью мы планируем продолжить изучение спиновой динамики электронов, связанных на примесных ионах фтора в ZnSe. По сравнению с самоорганизованными квантовыми точками, такая система более однородна и в ней гораздо меньше действующих на электронный спин ядер. При этом, для сокращения ядерной номенклатуры предполагается использовать изотопически чистый материал ZnSe. Для изучения перепутывания состояний донорного спина с испускаемым фотоном в такой системе, планируется переход от спинового ансамбля к одиночным спинам. Кроме того, мы продолжим изучение процессов когерентного взаимодействия между спиновыми подансамблями, неоднородно распределенными в квантовых точках. На первом этапе будет выполнена развернутая серия экспериментов, анализ результатов которых будет производится совместно с коллективом проекта А4. Для детального понимания микроскопической природы спин-спинового взаимодействия, данные, полученные на стандартно выращенных самоорганизованных квантовых точках, будут сопоставлены с результатом исследования квантовых точек, выращенных без смачивающего слоя. Это позволит оценить эффективность меж точечного взаимодействия через смачивающий слой. Эти эксперименты также будут сопровождаться теоретическим моделированием исследуемых процессов.

Annotation: An inhomogeneous ensemble of localized spins driven periodically by a pulsed laser shows prominent effects as spin mode-locking, where the Larmor precession frequency in a transverse magnetic field is locked to multiple integers of the laser repetition rate, or nuclear-induced frequency focusing to these locked frequencies. More specifically, the latter effect is caused by the electron-nuclear interaction and exploits the effective hyperfine field in the sur-rounding of a spin, in order to satisfy the required mode-locking condition. Recently we have gained knowledge about the modes formation by developing an extended version of the stand-ard pump-probe method, which allows us to measure arbitrarily long spin dynamics with pico-second time resolution during times after switching off the driving laser pulses. In general, the spin dynamics is quite complex and we have largely benefitted from the recent progress in theoretical model description developed also in collaboration with project A4. So far, mostly self-assembled InGaAs/GaAs quantum dots have been studied which despite their high optical quality are prone to complication such as complex strain and compo-sition leading also to a complex nuclear spin system. To advance the investigations and un-derstand better the nuclear contribution to mode formation, we will extend the material basis to GaAs/AlGaAs quantum dots grown by droplet epitaxy. On the other hand, QDs in telecom range, that are particularly relevant for communication applications (InGaAs/InP with consid-erable strain or InGaAs/GaAs with strain relaxation layers) will complete the picture and will also be studied with respect to coherent spin manipulation. Further attention will be devoted to the possibility to reduce the nuclear-induced fluctu-ations by mode-locking. To that end, we will continue to study fluorine donor-bound electron spins in ZnSe, which represent a spectrally more homogeneous ensemble with a reduced number of nuclear spins in its environment compared to self-assembled QDs. In particular, our push towards an isotopically purified ZnSe matrix will be continued. Here, we will also develop the studies from ensembles towards single spins, for which we will continue with experiments to entangle a donor spin with an emitted photon. At the same time, we will continue our quest in studying the coherent interaction be-tween the spin sub-ensembles within the inhomogeneous distribution of QDs. In the first fund-ing period we have performed an extended set of experiments whose complex signatures could be accessed by advanced theoretical models developed also in project A4. To under-stand the microscopic origin of the coupling in more detail, we will compared standard self-assembled InGaAs/GaAs QDs to QD systems grown without wetting layer, to highlight a pos-sible interaction through extended wetting layer states. During all stages, the spectroscopic experiments will be supported by theoretical models.

Publications:

  1. А.Е. Евдокимов, М.С. Кузнецова, А.В. Михайлов, К.В. Кавокин and Р.И. Джиоев, Релаксация электронного спина и резонансное охлаждение ядерных спинов в структурах GaAs : Mn, ФТП 55, 9, 738 (2021)
  2. E. Evers, N. E. Kopteva, I. A. Yugova, D. R. Yakovlev, M. Bayer and A. Greilich, Shielding of external magnetic field by dynamic nuclear polarization in (In,Ga)As quantum dots, Phys. Rev. B 104, 075302 (2021)
  3. E. Evers, N. E. Kopteva, I. A. Yugova, D. R. Yakovlev, D. Reuter, A. D. Wieck, M. Bayer and A. Greilich, Suppression of nuclear spin fluctuations in an InGaAs quantum dot ensemble by GHz-pulsed optical excitation, npj Quantum Inf 7, 60 (2021)
  4. N. E. Kopteva, E. Kirstein, E. A. Zhukov, M. Hussain, A. S. Bhatti, A. Pawlis, D. R. Yakovlev, M. Bayer and A. Greilich, Spin dephasing of electrons and holes in isotopically purified ZnSe/(Zn,Mg)Se quantum wells, Phys. Rev. B 100, 205415 (2019)
  5. Nataliia E. Kopteva, Irina A. Yugova, Evgeny A. Zhukov, Erik Kirstein, Eiko Evers, Vasilii V. Belykh, Vladimir L. Korenev, Dmitri R. Yakovlev, Manfred Bayer and Alex Greilich, Theoretical Modeling of the Nuclear-Field Induced Tuning of the Electron Spin Precession for Localized Spins, Phys. Status Solidi B , 1800534 (2019)
  6. Vasilii V. Belykh, Dmitri R. Yakovlev, Mikhail M. Glazov, Philipp S. Grigoryev, Mujtaba Hussain, Janina Rautert, Dmitry N. Dirin, Maksym V. Kovalenko and Manfred Bayer, Coherent spin dynamics of electrons and holes in CsPbBr3 perovskite crystals, Nat Commun 10, 673 (2019)
  7. E. S. Khramtsov, P. S. Grigoryev, D. K. Loginov, I. V. Ignatiev, Yu. P. Efimov, S. A. Eliseev, P. Yu. Shapochkin, E. L. Ivchenko and M. Bayer, Exciton spectroscopy of optical reflection from wide quantum wells, Phys. Rev. B 99, 035431 (2019)