Установка для исследования ядерной спиновой динамики - SOLAB

Спиновая динамика в полупроводниковых структурах вызывает многолетний интерес, как экспериментаторов, так и теоретиков. Мы изучаем эту динамику в различных полупроводниковых структурах, объемных полупроводниках (GaAs n-типа), квантовых ямах и квантовых точках. В таких структурах электронный спин взаимодействует со спинами ядер атомов кристаллической решетки за счет сверхтонкого взаимодействия. Мы изучаем электронно-ядерную спиновую динамику путем измерения степени поляризации фотолюминесценции в поперечном магнитном поле (эффект Ханле). Классическая кривая деполяризации электронного спина в поперечном магнитном поле представляет собой лоренциан. При засветке образца светом циркулярной поляризации возникает динамическая ядерная поляризация (ДЯП), которая преобразует кривую Ханле в более сложный контур — возникает, так называемая, W-структура.

Рисунок 1. Левая панель — кривая Ханле в отсутствии ДЯП, правая панель — кривая Ханле при наличии спиновой поляризации ядер.

Наша экспериментальная установка представлена на рисунке 2

Образец помещается в криостат, охлаждаемый до температуры жидкого гелия (4К). Установка оснащена электромагнитом, который создает магнитное поле величиной до 200 мТл, направленное перпендикулярно оптическому лучу. Также, вокруг криостата установлены катушки Гельмгольца для создания продольного оптическому лучу магнитного поля. Фотолюминесценция (ФЛ) возбуждается непрерывным титан-сапфировым лазером. Различные экспериментальные методики требуют применения большого круга оптических протоколов. Для амплитудной модуляции мы используем акусто-оптический модулятор (АОМ). Электрооптический модулятор (ЕОМ), после которого установлена четвертьволновая пластинка, используется для модуляции поляризации оптического возбуждения. Степень циркулярной поляризации фотолюминесценции детектируется стандартным методом, используя фотоэластический модулятор (РЕМ) и призму Глана-Тейлора. Модулятор создает зависящую от времени разность фаз ϕ(t) = (π/4) sin(2 π f · t), между линейными компонентами ФЛ, тем самым преобразуя каждую из круговых составляющих (σ⁺ и σ^-) в линейные (x и y) на частоте модуляции, f = 50 кГц. Анализатор выбирает одну из линейных компонент, которая раскладывается в спектр двойным монохроматором и регистрируется лавинным фотодиодом. Сигнал с фотодиода накапливался для каждой компоненты отдельно с помощью двухканальной системы счета фотонов. Поляризация ФЛ рассчитывается с использованием стандартного определения: ρ = (I⁺⁺ - I^-+)/(I⁺⁺ + I^-+), где I⁺⁺ и I^-+ — интенсивности ФЛ для ко-поляризованного и кросс-поляризацозанного возбуждения и детектирования, соответственно. Поляризация ФЛ регистрируется на длине волны, соответствующей максимуму интенсивности в полосе ФЛ образца. Наша основная задача изучить и понять природу электронно-ядерного взаимодействия, найти пути подавления процессов релаксации электронного спина, что приблизит нас к решению задач квантовой информатики.