научная статья по теме ДИПОЛЯРНЫЕ ЭКСИТОНЫ В ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЛОВУШКЕ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ДИПОЛЯРНЫЕ ЭКСИТОНЫ В ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЛОВУШКЕ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ»

диполярные экситоны в потенциальной ловушке

в магнитном поле

А. В. Горбунов* В. Б. Тимофеев

Институт физики твердого тела Российской академии паук 142432, Черноголовка, Московская обл., Россия

Поступила в редакцию 18 декабря 2013 1".

Исследованы условия наблюдения компенсации зеемановского спинового расщепления в экситонном бо-зе-газе. Изучалась магнитолюминесценция в геометрии Фарадея пространственно-непрямых, диполяр-ных экситонов в квантовой яме СаАв/'АЮаАв шириной 25 нм при накапливании их в латеральной электростатической ловушке. Обнаружено, что величина критического магнитного поля Вс, ниже которой в центре ловушки спиновое (парамагнитное) расщепление линии люминесценции экситона на тяжелой дырке практически полностью скомпенсировано из-за обменного взаимодействия в плотном бозе-газе, линейно растет с экситонной концентрацией в качественном согласии с теорией. Использование потенциальной ловушки принципиально важно. Без нее в однородном пятне фотовозбуждения для диполярных экситонов наблюдается неполная компенсация: величина расщепления существенно меньше, чем для пространственно-прямого экситона, но заметно отличается от нуля. Эффект компенсации спинового расщепления наблюдается только в условиях нейтрального зарядового баланса — в заряженной квантовой яме подавление зеемановского расщепления отсутствует.

DOI: 10.7868/S0044451014070153 1. ВВЕДЕНИЕ

Недавно нами было обнаружено [1], что при накапливании двумерных пространствонно-но-прямых диполярных экситонов (квантовая яма GaAs/'AlGaAs шириной 25 нм) в потенциальной ловушке вблизи отверстия в затворе Шоттки наблюдается компенсация зеемановского расщепления в магнитных полях ниже критического поля Вс к, 2 Т.п. Эффект подавления спинового расщепления был предсказан теоретически для термодинамически равновесного бозе-конденсата двумерных экситеяшых поляритетов в оптическом микрорезонаторе при нулевой температуре [2]. Данный эффект связан со еппнорной природой внутрирезоиаторных поляритетов. Они обладают спином 5' = 1 с двумя разрешенными значениями проекции спина на направление оси роста структуры, S- = ±1, что сеютветствует двум противоположным направлениям циркулярной поляризации, «г1*1. Предполагается, что обменное взаиме>дсйствие в еппнорном бозе-конденсате устро-

* E-mail: fiorbunovfflissp. ac.ru

иго так, чте> направленные в одну и ту же сторону параллельные спины отталкиваются, а антипараллельные притягиваются, либо отталкиваются, но слабее. В результате, в отсутствие магнитного поля энергетически выгодной является ситуация, когда количество спинов с проекциями = +1 и = — 1 одинаково. Это соответствует линейной поляризации испускаемого света люминесценции. Розкоо возрастание степени линейной поляризации действительно наблюдается экспериментально при превышении порога бозе-коиденсации по концентрации частиц (см., например, [3]). Очевидце), что в достаточно сильном перпендикулярном магнитном поло (геометрия Фарадея) все спины будут ориентированы по полю н заполнят нижний зееманежский подуровень. Однако в малых магнитных полях, как показано в работе [2], спиновое расщепление (эффект Зеемана) наблюдаться не должно, поскольку «красный сдвиг» пониженно энергии за счет заселения нижнего спинового подуровня в точности компенсируется «синим сдвигом» повышенном энергии за счет взаимного отталкивания между заполняющими нижний подуровень параллельными спинами. Компенсация имеет месте), пока величина магнитного поля по превысит критические значение

Вс = 2;7Х'1/.д//в, где п концентрация частиц, д .д-фактор, //.д магнетон Бора, а II\ феноменологический коэффициент, описывающий линейно-циркулярный дихроизм бозе-коидеисата и пропорциональный разности коэффициентов взаимодействия параллельных и антипараллельных спинов [2]. В диапазоне 0 < В < Вс поляризация эллиптическая и с ростом поля постепенно приближается к круговой. В области В > Вс поляризация чисто круговая и наблюдается зеемановское расщепление, пропорциональное(В — В с).

Несмотря па то что система экситонных поляритетов в оптическом микрорезонаторе с очевидностью не является равновесной (типичное время жизни внутрирезонаториого поляритона составляет единицы пикосокунд), явление компенсации спи-1гове)ш расщепления было обнаружено экспериментально [4] для конденсата экситонных поляритетов в СаАБ-микрорезонаторе в условиях квазистационарного нерезонансного фотовозбуждения в области магнитных пешей В < 1.7 Т.п. Зоомановскоо расщепление отсутствовало с точностью ±5 мкэВ и действительно наблюдалась эллиптическая поляризация. Однако вплоть до 3 Тл знак циркулярной поляризации был отрицательным, т. е. конденсация происходила но на нижний, а на верхний зееманеж-ский подуровень в подтверждение норавновосности данной системы. В такой ситуации применимость равновесной модели [2] вызывает серьезные сомнения.

Подавленно зоомановского расщепления для вну-трирезонаторных поляритетов удалось наблюдать также в условиях резонансного фотовозбуждения (режим оптического параметрического генератора) в заведомо неравновесном поляритонном кондонсато [5]. Но для описания данного явления авторам пришлось развить совершенно иную физическую модель, предполагающую существование одновременно двух норавновосных конденсатов с противоположным направленном циркулярной поляризации, когерентно связанных за счет процессов пешяритон-пешяритоиного рассеяния с переворотом спина.

Поздноо было предложено объяснение экспериментов с неравновесным поляритонным конденсатом [4] с помощью механизма оптического ориентирования спинов поляритетов в магнитном поло [6]. При этом, кроме приложенного внешнего поля, учитывалось а) внутреннее поле, возникающее за счет анизотропии электрон-дырочного обменного взаимодействия и приводящее к исходной линейной поляризации, и б) эффективное внутреннее папе, связанное

с межэкситеяшым обменным взаимодействием. Прецессия поляритонных спинов вокруг направления суммарного магнитного поля приводит к их оптическому ориентированию вдоль этого направления. В результате зависимости линейной и циркулярной поляризации, а также зеемановского расщепления от внешнего магнитного поля оказываются качественно близкими с полученными в работе [4].

В GaAs низший пе> энергии экситон на тяжелой дырке (M-exciton) в отличие от экситонного поляритона не является спинором: креше оптически активного «светлого» (bright) экситеяга с проекциями спина S- = ±1, имеется не связанный со свотеш «темный» (dark) экситон, для которого S- = ±2. Согласно некоторым теоретическим расчетам (см., например, [7]) энергия основного состояния темного экситеяга должна быть несколько меньше, чем у свет-лето, поэтому при понижении температуры в первую очородь должны конденсироваться имение) темные экситоны. Свойства 4-компононтного экситонного бозо-кондонсата в магнитном поло были подавно проанализированы теоретически в работе [8], где предсказана, в частности, возможность фазовых пе-роходов в магнитном поло между состояниями конденсата с разным количеством компонентов. Таким образом, a priori можпо было ожидать, что полученное в эксперименте поведение в магнитном поло спиновой поляризации экситонного конденсата будет болоо сложным, чем для экситонных поляритонов. Поэтому экспериментальное обнаружение эффекта компенсации зоомановского расщепления для дипо-лярных экситонов в работе [1] оказалось достаточно неожиданным событием. Следует отмстить, что, несмотря на гораздо большое время жизни (около 1 не), исследуемая система диполярных экситонов также оказалась далека от равновесия по спиновым степеням свободы: как и для экситонных поляритонов [4], верхний зееманежский подуровень демонстрировал большую заселешгость, чем нижний [1]. Очевидне), что и в случае диполярных экситонов явление компенсации спинового расщепления вряд ли можно описать простой модолыо для равновесной системы [2].

Настоящая работа посвящена выяснению условий, при которых компенсация спинового расщепления реализуется для бозе-газа диполярных экситонов в широкой одиночной квантовой яме. С этой целыо исследованы, в частности, зависимости от эк-ситонной концентрации и от зарядового баланса в квантовой яме. Обнаружено, что величина критического магнитного поля Вс действительно линейно растет с экситонной плотностью. Вместе с тем на-

рушение электрической нейтральности в квантовой яме кардинальным образом влияет на зеемановское расщепление: его поведение в магнитном поле становится более сложным, а эффект компенсации пропадает. Проведено сравнение с поведением в магнитном поле спиновой поляризации как пространствон-но-прямого экситона в отсутствие электрического поля, так и пространственно-непрямого экситона без использования латеральной потенциальной ловушки. Спиновое расщепление линии прямого экситона ведет себя в полном соответствии с известными данными для широких квантовых ям СаАБ/'АЮаАБ [9 11]. Для диполярных экситонов без потенциальной ловушки наблюдается эффект неполной компенсации: величина расщепления существенно меньше, чем для прямого экситона, но заметно отличается от нуля. Обнаруженный ранее «гигантский» синий сдвиг энергии диполярного экситона в малых магнитных полях [1] связан с наличием в потенциальной ловушке носкомпонсированных зарядов величина сдвига растет с увеличением их концентрации.

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследовались пространственно-непрямые диполярные экситоны в широкой (25 им) одиночной квантовой яме СаАБ/'АЮаАБ, помещенной в поперечное гетерослоям электрическое поле. Внешнее напряжение и прикладывалось к верхнему электроду затвору Шоттки на поверхности готорострук-туры относительно нижнего встроенного электрода проводящего электронного канала в легированной квантовой яме внутри структуры. Расстояние между электродами (1 « 265 им, а величина обусловленного барьером Шоттки встроенного отрицательного потенциала определялась по напряжению открывания диода Шоттки (режим «плоских зон»): и о « +500 мВ. Таким образом, напряженность электрического поля внутри имеющегося плоского конденсатора оценивалась из соотношения F = (и — и0)/(1 и, например, при напряжении и = +2

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком