Проект 19-02-00576

Тип проекта: РФФИ А
Название проекта: «Исследование фундаментальных характеристик свето-экситонного взаимодействия в высококачественных полупроводниковых наноструктурах методами оптической спектроскопии с субпикосекундным временным разрешением»
Руководитель проекта: И.В. Игнатьев
№ РФФИ: 19-02-00576
Начало проекта: 2019
Конец проекта: 2021
Исполнители:
Д. К. Логинов
Е. С. Храмцов
А. С. Курдюбов
А. В. Трифонов
Ф. С. Григорьев
П. А. Белов
Н. Р. Григорьева
А. В. Михайлов
М. М. Шарипова

Аннотация: Достигнутый к настоящему моменту уровень технологии эпитаксиального роста позволяет создавать почти совершенные наноструктуры с минимальным количеством дефектов и примесей. В таких структурах основные параметры экситонных состояний, в том числе, величина свето-экситонного взаимодействия, должны приближаться к своим предельным значениям. Проект ориентирован на экспериментальное и теоретической определение этих значений и их зависимости от физических характеристик конкретных наноструктур и от условий экспериментов. Имеющееся в распоряжении авторов проекта уникальное сочетание технологических возможностей, оригинальных методик оптического эксперимента и развитых моделей теоретических расчетов делают возможным решение этой задачи. Запланированное в проекте экспериментальное исследование позволит получить принципиально новые данные об энергетической структуре и сверхбыстрой динамике экситонных состояний. Возможность исследования гетероструктур рекордного качества, физические процессы в которых определяются их фундаментальными характеристиками, а не случайными дефектами, позволит решать на принципиально новом уровне задачи по количественному исследованию свето-экситонного взаимодействия в таких системах. Развитые в процессе выполнения проекта экспериментальные методы и оригинальные теоретические подходы позволят получить принципиально новую информацию о связи между структурными и динамическими параметрами экситонов в практически важных полупроводниковых наноструктурах.

Annotation: Theoretically predicted strong exciton-light coupling in semiconductor nanostructures with quantum wells and superlattices makes them promising for applications in the systems of optical processing of information. In early studies the exciton scattering on the static and dynamic defects strongly decreased the coupling in real structures. Modern development of molecular beam epitaxy allows one to grow almost perfect structures where the exciton-light coupling strength approaches its theoretical limit. The goal of the present project is the quantitative experimental and theoretical study of the coupling strength in various planar nanostructures and its dependence on the structure parameters and experimental conditions. The unique technology, experimental methods, and theoretical models developed by the authors of the project make it possible comprehensive study of the exciton-light coupling. Set of the high-quality GaAs/AlGaAs/InGaAs-based nanostructures with optimal parameters will be grown for the experimental study by the molecular beam epitaxy. The main excitonic parameters such as the constants of the radiative and non-radiative broadening and the exciton transition energies as well as their dependence on the structure parameters and experimental conditions will be determined from the experimental study. A theoretical model of the exciton-exciton and exciton-carrier scattering in the structures under study will be developed. Parameters of the model will be extracted from the experimental data obtained in the spectrally-resolved pump-probe experiments. Further development of an approach to the numerical solution of Schroedinger equation for an exciton in a quantum well will be fulfilled. The exciton-light coupling for the excited quantum-confined exciton states, in particular, overlapped with the continuous spectrum of free electrons and hole states will be modelled. This model will allow one to quantitatively analyze the experimental spectra. This model will be also applied to the analysis of data obtained in the electric field applied to different nanostructures.

Publications:

  1. Д.Ф. Мурсалимов, А.В. Михайлов, А.С. Курдюбов, А.В. Трифонов and И.В. Игнатьев, Нетривиальная зависимость спектральных характеристик экситонов в квантовых ямах от мощности резонансного оптического возбуждения, ФТП 55, 11, 963 (2021)
  2. A. S. Kurdyubov, A. V. Trifonov, I. Ya. Gerlovin, B. F. Gribakin, P. S. Grigoryev, A. V. Mikhailov, I. V. Ignatiev, Yu. P. Efimov, S. A. Eliseev, V. A. Lovtcius, M. Aßmann, M. Bayer and A. V. Kavokin, Optical control of a dark exciton reservoir, Phys. Rev. B 104, 035414 (2021)
  3. P A Belov, Increase in the radiative decay rate of the indirect exciton due to application of the magnetic field, J. Phys.: Conf. Ser. 1851, 1, 012011 (2021)
  4. P A Belov, Numerical modeling of indirect excitons in double quantum wells in an external electric field, J. Phys.: Conf. Ser. 1199, 012018 (2019)
  5. A. V. Trifonov, E. S. Khramtsov, K. V. Kavokin, I. V. Ignatiev, A. V. Kavokin, Y. P. Efimov, S. A. Eliseev, P.Yu. Shapochkin, and M. Bayer, Nanosecond Spin Coherence Time of Nonradiative Excitons in GaAs/AlGaAs Quantum Wells, Phys. Rev. Lett. 122, 147401 (2019)