Проект 20-32-70131

Тип проекта: РФФИ «Стабильность»
Название проекта: «Когерентная экситонная динамика высококачественных наноструткур с квантовыми ямами»
Руководитель проекта: А. В. Трифонов
№ РФФИ: 20-32-70131
Начало проекта: 2020
Конец проекта: 2021
Исполнители:
Е. С. Храмцов
П. А. Белов
М. Н. Батаев
Б. Ф. Грибакин
Ф. С. Григорьев
М. С. Кузнецова
А. С. Курдюбов
А. В. Михайлов

Аннотация: Целью проекта является изучение когерентного экситон-экситонного взаимодействия в высококачественных наноструктурах с квантовыми ямами. Развитый авторами проекта экспериментальный метод прецизионной экситонной спектроскопии, примененный к наноструктурах с узкими экситонными линиями, позволяет с высочайшей точностью получать информацию о базовых параметрах возбужденных состояний структуры, определяющих динамику взаимодействия между экситонами. Для достижения поставленной цели, в проекте планируется последовательное решение следующих конкретных задач: прецизионное определение энергетический структуры состояний в AlGaAs/GaAs квантовых ямах с малым содержанием алюминия в барьерных слоях, экспериментальное исследование осцилляций сигнала накачки-зондирования, обусловленных квантовыми биениями между экситонными состояниями, и исследование соотношения между когерентной и некогерентной экситонной нелинейностью. Актуальность исследования когерентной экситонной динамики обусловлена, в частности, тем, что система нелинейно взаимодействующих экситонов исключительно перспективна для создания квантовых симуляторов сложных многочастичных процессов. Сочетание высокого совершенства исследуемых образцов, продвинутой экспериментальной методики и численного моделирования с использованием развитых авторами теоретических моделей определяет высокую степень новизны предлагаемого исследования. В процессе выполнения проекта предполагается получить следующие основные результаты:
• Будут определены спектральные и динамические характеристики когерентного и некогерентного экситон-экситонного взаимодействия для многоуровневых экситонных систем, таких как экситоны с тяжелой и легкой дыркой и размерно-квантованные экситонные состояния.
• Будет построена теоретическая модель динамики экситон-экситонного рассеяния. По результатам экспериментов будут определены значения параметров модели в изученных гетероструктурах.
• Будут определены параметры энергетической структуры в исследуемых нанострукутрах. Будут изучены температурные изменения этих параметров.
• Будет изучена временная эволюция величин нерадиационного и радиационного уширения и энергетического сдвига экситонных резонансов как функция спектра подсветки импульсным лазером.
• По результатам исследований будет опубликованы, как минимум, две статьи в отечественном или зарубежном журналах.
Исследование 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 экситон-экситонного взаимодействия. Этим определяется научная значимость предлагаемого проекта.

Annotation: The goal of the project is the study of coherent exciton-exciton interaction in high-quality nanostructures with quantum wells. The authors of the project have developed the precise experimental method of exciton spectroscopy applied to nanostructures with narrow exciton lines. The method provides information about the basic parameters of the excited states of the nanostructure, which determine the dynamics of interaction between excitons. To achieve this goal, the project plans to consistently solve the following specific problems: precision determination of the band structure in AlGaAs/GaAs quantum wells with a small aluminum content in the barrier layers; experimental study of oscillations in pump-probe signal caused by quantum beats between the exciton states and the study of the relationship between coherent and incoherent exciton nonlinearity. The system of interacting excitons is promising for the creation of quantum simulators of complex multiparticle processes. It confirms actuality of the study of coherent exciton dynamics. The combination of precise advanced experimental methods, high-quality samples, and advanced numerical modelling with the use of theoretical models developed by the authors determines high degree of novelty of the proposed study. The main results of the project are expected to be as follows:
* Spectral and dynamic characteristics of coherent and incoherent exciton-exciton interactions for multi-level exciton systems such as heavy- and light-hole excitons and quantum-confined exciton states will be determined.
* The theoretical model of the dynamics of exciton-exciton scattering will be developed. The experimental results will determine the values of the model parameters in the studied heterostructures.
* The parameters of the energy band structure in the studied nanostructures will be determined.
* The temporal evolution of the values of non-radiative and radiative broadening and energy shift of exciton resonances and their dependence on the laser pump pulse spectrum will be studied.
• At least two papers will be published in Russian or international journals.
The study of heterostructures of record quality, for which the physical processes are determined by their fundamental characteristics rather than random defects, will allow solving the problem of a quantitative study of exciton-exciton interaction and quantum coherence at a fundamentally new level. It determines the scientific importance of the proposed project. The developed experimental methods for determination of the parameters of the exciton-exciton interaction, which directly affect the nonlinear optical response in the spectral range of exciton resonance provides practical importance. These parameters are important for the development of devices using exciton-polariton nonlinearity.

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)