Студентам 2 – 4 курса

Интерферометр (эталон) Фабри-Перо – прецизионный оптический спектральный прибор, обеспечивающий разрешающую способность в десятки мегагерц при высокой светосиле и стабильности. В сочетании с современным кольцевым перестраиваемым лазером, интерферометр Фабри-Перо позволяет реализовать спектроскопию сверхвысокого разрешения для регистрации квантовых флуктуация намагниченности в наноструктурах (спиновых шумов). Основная задача работы – создание программного обеспечения для обработки интерферограмм, считываемых с цифровой камеры на прототипе такого спектрометра, реализованном в лаборатории Оптики спина. Исследования будут проводиться в рамках гранта РФФИ 19-52-12054 «Фундаментальные проблемы формирования сигнала спинового шума».

Из квантовой механики известно, что, наряду со связанными состояниями электрона в квантовой яме, в области сплошного спектра, выше барьера, существуют также особые долгоживущие состояния, называемые резонансами. В данной работе предлагается вычислить энергии и ширины резонансов для электрона в одномерной полупроводниковой квантовой яме. Для этого требуется написать программу, реализующую необходимый алгоритм, сочетающий в себе дискретизацию гамильтониана электрона в квантовой яме, метод комплексного скейлинга для вычисления резонансов и вычислительную процедуру диагонализации комплекснозначной матрицы. Дискретизация гамильтониана электрона может быть выполнена с использованием как простейшего метода конечных разностей, так и более совершенного метода конечных элементов. Для прямоугольной квантовой ямы со сравнительно большими барьерами, параметры резонансных состояний можно с некоторой точностью аппроксимировать аналитически, что позволит проверить правильность реализации численного метода. Необходимы начальные навыки программирования на одном из нижеследующих языков: Fortran, C/C++, Python или знания систем вычислений MATLAB и/или Mathematica.

Электрооптический эффект заключается в изменении показателя преломления для света, распространяющегося в оптически прозрачной среде, при приложении к кристаллу постоянного либо медленно меняющегося электрического поля. Этот эффект используется для создания широкого класса электрооптических устройств, который можно условно назвать электрооптическим модулятором. Такие модуляторы широко применяются в качестве быстрых оптических затворов, а также модуляторов оптической частоты и поляризации света. В рамках данной курсовой работы студенту предлагается разобраться в физических механизмах, приводящих к возникновению электрооптического эффекта, а также ознакомиться на практике с устройством и процедурами использования электрооптического модулятора в оптическом эксперименте.

Акусто-оптические эффекты хорошо известны в физике твердого тела. Они изучают взаимодействие звуковой волны с электромагнитным полем света, проходящего через кристалл. В результате прохождения звуковой волны через кристалл, создается дифракционная решетка, на которой свет может испытывать дифракцию. Это явление лежит в основе создания ряда устройств, среди которых акусто-оптический модулятор, акусто-оптический дефлектор или акусто-оптический перестраиваемый фильтр. В рамках данной курсовой работы студенту предлагается разобраться в физических механизмах эффекта, устройстве и принципе работы акусто-оптического модулятора и его использовании в оптическом эксперименте.

Фотоэластический эффект проявляется в возникновении оптической анизотропии в оптически изотропных средах под действием механического напряжения. Это приводит, в свою очередь, к изменению зависимости диэлектрической проницаемости среды и появлению двулучепреломления и дихроизма, возникающего под действием механического напряжения. Это явление используется на практике в таком приборе, как фотоупругий модулятор света. Он используется в поляриметрии для увеличения соотношения сигнал/шум при регистрации параметров Стокса для определения степени поляризации света. В рамках данной курсовой работы студенту предлагается разобраться в физических механизмах фотоэластического эффекта, устройстве и принципе действия фотоупругого модулятора, а также его применении для определения параметров Стокса света в оптическом эксперименте.

Как вы знаете, полупроводники обладают электронной и дырочной проводимостью в зависимости от наличия тех или иных добавок в их составе. Исследование квазичастиц, образованных электронами и дырками, является довольно распространенной тематикой исследований в нашей лаборатории. Такие частицы называются экситонами, в своем роде это атом водорода большого радиуса и малой массы, перемещающийся в полупроводнике. В отличие от атома водорода, взаимодействие между электроном и дыркой очень мало! Экситоны разваливаются уже при температуре жидкого азота, поэтому мы исследуем их при 4 К. Крайне интересные эффекты возникают, если частицу поймать в потенциальную яму между слоями полупроводника нанометрового масштаба. Она подвергается эффекту квантования (quantum confinement). Прикладываем электрическое поле к экситонам (рисунки на сайте!), поляризуем и ловим их. Наш метод – спектроскопия отражения: белый свет направляется на образец, отраженный идет на спектрометр, который раскладывается, о чудо, в спектр (и снова примеры на сайте!). С помощью анализа спектров можно вычислить параметры экситонов, а электрическое поле позволяет их контролировать.

Экситоны прекрасно взаимодействуют со светом, наши исследования перспективны в развитии оптических средств обработки информации.

В нашей части лаборатории используется методика накачки-зондирования. Она позволяет исследовать временную динамику быстрых процессов при возбуждении систем очень коротким импульсом оптического излучения. Характерный временной масштаб изучаемых процессов от долей пикосекунд (10-12 с) до нескольких наносекунд (10-9 с), а длительность возбуждающего импульса 100 фс (10-15 с) – 1 пс. Идея состоит в том, что у возбужденной системы изменяется спектр отражения или пропускания, и это можно увидеть с помощью второго импульса света, зондирующего. При этом временную задержку между накачивающим импульсом и зондирующим можно изменять геометрически, регулируя длину оптического пути.

На установке можно исследовать практически любые образцы, оптические резонансы которых находятся в доступном нам ближнем инфракрасном диапазоне; в основном это полупроводниковые наноструктуры с квантовыми ямами. Образец находится в криостате, поэтому измерения можно проводить при температуре от 4 К (жидкий гелий) до комнатной.

Такая методика позволяет изучать динамику и взаимодействие различных квазичастиц в полупроводниковых наноструктурах и получать знания, с помощью которых можно конструировать новые оптические приборы и материалы для использования, например, в квантовом компьютере.

Наш метод — оптическая спектроскопия отражения и люминесценции. Измерения проводятся в криостатах с жидким гелием (меньше 4,2К) в полях до 5 Тл (магнитное поле земли в 100 тысяч раз меньше, МРТ — в 2-3 раза меньше). Обработка получаемых данных невозможна без численных расчетов. Для них мы разработали специальную методику численного решения многомерных уравнений Шредингера. Эта деятельность вылилась в отдельную ветвь научных задач лаборатории. Численные расчеты довольно требовательны по объему вычислительных ресурсов, поэтому они проводятся на машинах с 8-24 ядрами с объемом оперативной памяти от 32 ГБ до 256 ГБ. Некоторые частные задачи вычисляются даже на видеокартах.

В работе рассматривается как упорядочение во всем объеме вещества, так и локальное упорядочение в форме ядерного спинового полярона. В оригинальной части работы проводится оценка взаимодействия Рудермана-Киттеля в кристалле арсенида галлия n-типа, а также в квантовых ямах различной ширины на его основе. Результаты расчетов свидетельствуют о схожести данного взаимодействия по величине с магнитным диполь-дипольным. Также обнаружена достаточно сильная зависимость величины данного взаимодействия от степени легирования полупроводника.

Целью работы являлось изучение спиновых шумов фарадеевского вращения ванфлековского парамагнетика, стимулированных внешним магнитным полем. Метод регистрации спонтанных флуктуаций намагниченности путем измерения фарадеевского вращения часто не позволяет добиться хорошей чувствительности, поскольку отклик системы, находящейся в почти равновесном состоянии, обыкновенно очень мал. Но к методу можно подойти иначе: поместить образец в шумящее магнитное поле, спектром которого мы можем управлять. Тогда отклик системы будет зависеть от величины поля, за счет этого мы можем повышать чувствительность. Основные задачи работы: объяснить механизм намагничивания ванфлековского парамагнетика, выяснить, как влияет ванфлековский вклад на магнитную восприимчивость, получить спектры магнитной восприимчивости при разных значениях постоянного продольного магнитного поля, проанализировать полученные данные и сформулировать соответствующие выводы. В представленной работе исследуются магнитные свойства трёхвалентного урана, являющегося переходным металлом. Уран выбран в качестве модельного объекта для демонстрации свойств данного класса металлов, к нему было решено применить метод стимулированных шумов.