Спектроскопия спиновых шумов твердотельных сред

Спектроскопия спиновых шумов является мощным методом исследования является полупроводниковых гетероструктур (квантовая яма или ансамбль квантовых точек, содержащие атомы парамагнитных металлов). Атомы парамагнитных металлов имеют собственный магнитные моменты(спины), которые при приложении магнитного поля выстраиваются вдоль него, однако, при этом спины парамагнитных атомов выстраиваются вдоль поля только частично и могут прецессируют вокруг направления приложения поля. Это приводит к осцилляции флуктуаций намагниченности в образце. Плоскость поляризации линейно поляризованного света при прохождении через такую среду поворачивается в зависимости от намагниченности исследуемого вещества согласно эффекту Фарадеевского вращения. Спектроскопия спиновых шумов позволяет исследовать данные флуктуации намагниченности посредством изучения поворота плоскости поляризации.
На рисунке изображена установка для исследования спиновых шумов. Свет от лазера проходит через линейный поляризатор, затем проходит через образец находящийся в магнитном поле и через полуволновую пластинку HWP, которая позволяет поворачивать плоскость поляризации на необходимый угол. Затем свет проходит через поляризационный делитель света PBS который разделяет луч света на два с различными линейными поляризациями. В отсутствие магнитного поля интенсивность этих лучей одинакова, этого добиваются поворотом полуволновой фазовой пластинки. Далее лучи света идут на балансный фотодетектор BD, который меряет разность их интенсивностей. Таким образом, при выключенном магнитном поле, сигнал равен нулю. При приложении магнитного поля к образцу возникают осцилляции намагниченности, которые приводят к вращению плоскости поляризации. В результате этого происходит перераспределение интенсивности между пучками света и балансный фотодетектор регистрирует шумовой сигнал, поскольку намагниченность меняется случайным образом, то и плоскость поляризации изменяется случайно.

Рисунок 1: Схема установки для спектроскопии спинового шума : LP- линейный поляризатор, S -образец, B – магнитное поле создаваемое катушками Гельмгольца, HWP – полуволновая пластинка, PBS – поляризационный делитель света, BD – балансный детектор, FFT SA – Анализатор спектра с быстрым преобразованием Фурье

На Рис.2 представлены измерения проведенные в поле, приложенном перпендикулярно направлению распространения света. Если мы посмотрим на временную развертку сигнала Рис. 2 b, то мы увидим, что сигнал, на первый взгляд, представляет из себя белый шум. Белый шум представляет собой сумму сигналов на всех частотах. В нашем случае это не совсем так. Магнитные моменты атомов осциллируют вокруг направления приложения магнитного поля на ларморовской частоте, поэтому частотный состав «белого шума» меняется.

Рисунок 2: a) Геометрия опыта (b) временная развертка шумового сигнала, (c)форма автокорреляционной функции шумового сигнала, и (d) спектр шумового сигнала.

Преобразование Фурье от временной развертки такого сигнала позволяет выделить частоты содержащиеся в сигнале и получить спектр спинового шума. Анализатор спектра с быстрым преобразованием Фурье(FFT SA) позволяет производить анализ на всех частотах. Использование таких технологий позволяет наблюдать спектры флуктуаций намагниченности фактически в реальном времени. Результат выполнения преобразования мы можем видеть на Рис. 2 (с).
Чтобы понять принцип работы анализатора спектра, можно провести аналогию с оптическими приборами. Например, чтобы получить информацию о спектральном составе газовой лампы нам необходимо пропустить свет через призму и зафиксировать спектр на CCD матрице. Таким образом мы получаем информацию о спектральном составе источника света.
Элементы входящие в состав установки:

• лазер с перестраиваемой длиной волны;
• оптическая схема, обеспечивающая регулировку свойств пучка, фокусируемого на образце;
• гелиевый криостат замкнутого цикла, обеспечивающий рабочую температуру до 2,5 К;
• балансный фотодетектор с быстродействием до 1 нс;
• радиочастотный спектроанализатор, осуществляющий быстрое преобразование Фурье.

Для исследований по спектроскопии спиновых шумов в полупроводниковых системах используется титан-сапфировый лазер T&D-scan. Основные характеристики:
• накачка диодным лазером Sprout (мощность до 10 Вт, длина волны 532 нм);
• возможность плавной перестройки длины волны в диапазоне от 700 до 1050 нм (с использованием четырёх сменных комплектов зеркал) с точностью до 0,01 нм;
• мощность ИК излучения — до 1,5 Вт;
• возможность автоматического плавного сканирования длины волны;
• возможность установки нелинейного кристалла для генерации второй гармоники (длины волн от 350 до 515 нм) мощностью до 10 мВт;
• управление лазером как вручную, так и автоматизированно при помощи ПК.

• рабочая температура — до 2,5 К;
• кубическая камера с окнами диаметром 4,5 см на 5 гранях;
• минимальное расстояние от окон до образца — около 3,5 см (с возможностью его уменьшения с соответствующим повышением минимальной рабочей температуры);
• охлаждение до рабочих параметров — 110 минут;
• возможность установки электромагнитной приставки, максимальная напряжённость поля — до 0,7 Т;
• встроенная система вакуумной откачки и продувки камеры азотом.

• единовременное накопление спектра в окне шириной до 110 МГц, частотный диапазон — до 3 ГГц;
• набор программных средств для визуализации накапливаемого сигнала, позволяющее отслеживать короткие и долгосрочные изменения спектра;
• встроенный предусилитель на 15 дБ с предельно низким уровнем собственных шумов;
• подключение к другим устройствам по шинам GPIB, USB, COM, локальной сети и др.

• возможность проведения невозмущающих измерений (длина волны пробного света далеко отстоит от линии поглощения образца);
• возможность изучения динамики намагниченности частиц с очень малым или даже нулевым расщеплением по магнитному полю (для анизотропных сред);
• потенциальная возможность томографирования свойств образцов посредством сканирования каустикой сфокусированного лазерного луча;
• дополнительная расшифровка оптических спектров по шумовым сигналам, полученным для различных длин волн; в том числе разделение вкладов однородного и неоднородного уширения линий и разделение нескоррелированных подсистем.