Письма в ЖЭТФ, том 90, вып. 2, с. 156-162
© 2009 г. 25 июля
Двухфотонные корреляции люминесценции в условиях бозе-конденсации диполярных экситонов
А. В. Горбунов, В. Б. Тимофеев, Д. А. Демин*, А. А. Дремин Институт физики твердого тела РАН, 142432 Черноголовка, Московская обл., Россия
* Московский физико-технический институт, 141 700 Долгопрудный, Московская обл., Россия Поступила в редакцию 24 июня 2009 г.
Исследованы корреляции интенсивности люминесценции (коррелятор 2-го порядка <?®(т), где т -время задержки между регистрируемыми попарно фотонами) в условиях бозе-эйнштейновской конденсации диполярных экситонов в интервале температур 0.45 -г- 4.2 К. Фотовозбужденные диполярные экси-тоны накапливались в латеральной ловушке в СаАз/АЮаАв шоттки-диоде с одиночной широкой (25 нм) квантовой ямой при электрическом смещении, приложенном между гетерослоями. Измерения парных фотонных корреляций проводились с использованием двулучевого интерферометра интенсивностей с временным разрешением ^ 0.4 нс по известной классической схеме Хэнбери Брауна-Твисса (НапЬигу Вготта-Т-шзз). В окрестности порога бозе-конденсации, который устанавливался по вырастанию в спектре люминесценции узкой линии экситонного конденсата при увеличении оптической накачки (ширина линии вблизи порога < 200 мкВ), обнаружена группировка фотонов ("ЬипсЬш^'). При этом сама функция парных фотонных корреляций демонстрирует сверхпуассоновское распределение: <?®(т) > 1 - на масштабах времен когерентности исследуемой системы (тс < 1нс). Группировка фотонов отсутствует при накачках существенно ниже порога конденсации. При накачках, заметно превышающих порог, когда в спектрах люминесценции начинает доминировать узкая линия экситонного конденсата, эффект группировки также уменьшается и, в конечном итоге, с дальнейшим ростом оптического возбуждения пропадает. В этой области распределение парных фотонных корреляций становится пуассоновским, отражающим единое квантовое когерентное состояние экситонного конденсата. В этих же условиях пространственный коррелятор первого порядкад^(г), измеренный по картине интерференционного сложения амплитуд сигналов люминесценции от пространственно-разнесенных частей конденсата в условиях стационарного фотовозбуждения, остается значительным на пространственных масштабах не менее 4мкм. Обнаруженный эффект группировки фотонов очень чувствителен к температуре и уменьшается в несколько раз при увеличении температуры в интервале 0.45-5-4.2 К. Если предположить, что люминесценция диполярных экситонов прямым образом передает когерентные свойства газа взаимодействующих экситонов, то обнаруженный факт группировки фотонов в области порога конденсации, где наиболее существенны флуктуации экситонной плотности, и, следовательно, интенсивности люминесценции, свидетельствует о фазовом переходе во взаимодействующем экситонном бозе-газе и является независимым способом детектирования экситонной бозе-конденсации.
РАСБ: 73.21.Fg, 78.67.De
1. Изучение двухчастичных пространственно-временных корреляций (корреляторов второго порядка д(2\г,т)) приобретает в настоящее время возрастающий интерес, в частности, в связи с анализом сложных квантовых явлений в коллективах ультра-охлажденных атомных газов [1-3]. Исследования корреляций интенсивности излучения, или двухфо-тонных корреляций, восходят к пионерской классической работе Хэнбери Брауна-Твисса (НапЬигу Вго\уп Ттешв, НВТ) [4], а их квантовое обоснование дано Глаубером [5]. В этих работах продемонстрировано, что фотоны, испускаемые хаотическим
1'е-таП: gorbunoveissp.ac.ru
источником света, демонстрируют тенденцию группироваться ("ЬшпсЫп^') только при некогерентном смешивании или суперпозиции когерентных состояний (то есть коррелятор д^2\т) демонстрирует су-перпуассоновское распределение парных фотонных корреляций на временах когерентности излучатель-ной системы тс). В то же время в случае источника, соответствующего единому квантовому состоянию (например, одномодовый лазер [5], атомный лазер [3] или атомный бозе-конденсат [1]), эффект группировки отсутствует (коррелятор д^2\г,т) = 1), а сама функция парных фотонных корреляций в точности соответствует распределению Пуассона. Характер поведения двухчастичного пространственно-
временного коррелятора на масштабах когерентности определяется квантовой статистикой тождественных частиц. Эффект группировки возникает только для бозе-частиц (фотоны, магноны, атомы-бозоны и т.д.), тогда как для ферми-частиц функция двухчастичных корреляций должна демонстрировать эффект разгруппирования ("untibunching3'), что и наблюдалось недавно экспериментально на примере ультра-охлажденных атомов-фермионов - 3Не [2].
В настоящей статье изложены результаты экспериментальных исследований корреляций интенсивности люминесценции в условиях бозе-эйнштейновской конденсации экситонов. Насколько нам известно, такого рода эксперименты для бозе-газа пространственно-непрямых диполярных экситонов представляются впервые. На существенную роль корреляций интенсивности люминесценции при изучении экситонной бозе-конденсации указывалось ранее в теоретической работе [6]. Экспериментально поведение коррелятора 2-го порядка изучалось для экситонных поляритонов в микрорезонаторах с квантовыми ямами [7, 8].
2. Исследовались пространственно-непрямые или диполярные экситоны в широкой (25 нм) одиночной GaAs квантовой яме, помещенной в поперечное гетерослоям электрическое поле, которое прикладывалось между металлическим затвором Шот-тки на поверхности AlGaAs/GaAs-гетероструктуры и проводящим электронным слоем внутри структуры (встроенным электродом) [9, 10]. Благодаря приложенному электрическому полю диполярные экситоны имеют большой дипольный момент в основном состоянии (более 100 Д). В исследуемой нами системе такие экситоны вследствие диполь-дипольного отталкивания не связываются в молекулы или другие многочастичные комплексы.
Фотовозбуждение экситонов и наблюдение их люминесценции велось через круглое окно 05 мкм в металлической маске. Диполярные экситоны накапливались в кольцевой латеральной ловушке, которая возникала вдоль периметра окна из-за сильно неоднородного электрического поля [11, 12]. Увеличенное изображение окна, через которое велось фотовозбуждение и наблюдение люминесценции, проецировалось на входную щель спектрометра с охлаждаемой кремниевой CCD-камерой на выходе. Использование спектрометра, передающего изображение из плоскости входной щели в плоскость выходной щели без искажений ("imaging spectrometer"), давало возможность регистрировать изображение образца при переходе в нулевой порядок дифракционной решетки. Применявшаяся для передачи изображения опти-
ческая система позволяла наблюдать пространственную структуру люминесценции диполярных экситонов внутри окна в металлическом затворе с разрешением до 1 мкм. Образец помещался в гелиевом оптическом криостате, в котором можно было вести эксперименты в интервале температур от 0.45 до 4.2 К. При Т < 1.5 К образец находился непосредственно в жидком 3Не, а при более высоких температурах - в охлажденных парах 3Не. Используя интерференционные светофильтры, можно было изучать пространственную структуру люминесценции избирательно по спектральному составу. Оптическая схема позволяла не только наблюдать картину люминесценции в 5-микронном окне с высоким пространственным разрешением, но и с помощью минимальных перестроек осуществлять оптическое фурье-преобразование изображений.
Возбуждение диполярных экситонов осуществлялось одновременно двумя непрерывными лазерами с длинами волн: А = 782 нм (фотовозбуждение с энергией фотонов меньше ширины запрещенной зоны в барьере АЮаАв, или "подбарьерное" возбуждение) и А = 659нм ("надбарьерное" фотовозбуждение). Комбинацией излучения таких лазеров и экспериментально подобранным соотношением их мощностей достигалась максимальная компенсация избыточных зарядов в ловушке, и сама система экситонов поддерживалась максимально нейтральной [13, 10]. Подробные детали архитектуры использованных структур, латеральных ловушек и компенсации избыточных зарядов в ловушках изложены в работах [9, 10, 14, 15].
3. Группировку фотонов было естественно ожидать вблизи порога бозе-конденсации диполярных экситонов, где наиболее сильны флуктуации экситонной плотности. Поэтому вначале исследовалась фазовая диаграмма экситонной бозе-конденсации в латеральной ловушке с целью определения равновесной фазовой границы, очерчивающей область, где происходит такая конденсация, в координатах "накачка (экситонная плотность) - температура". Для этого изучались и анализировались спектры люминесценции при вариации оптической накачки в температурном интервале 0.45 4- 4.2 К. При достижении критических условий конденсации: температуры и мощности оптического возбуждения, - в спектре люминесценции пороговым образом вырастает узкая линия диполярных экситонов, соответствующая макроскопическому заполнению нижайшего состояния в ловушке и возникновению экситонного конденсата [15]. На рис. 1а продемонстрировано, как ведут себя спектры люминесценции диполярных экситонов, детектируемые непосредственно из кольцевой ловуш-
Р
50
20
сл ■ 10
1 5
-О
_ 2
5 1
Й ш 0.5
15 ■ 0.3
0.2
0.1
Т =0.46 К
1.512
1.514
1.516
1.518
(Ь) I Р = 0.8 ^
Т (К) 0.46
2.05
4.2
1.514
1.516
1.518
Е (еУ)
Рис.1. Спектры фотолюминесценции диполярных экситонов в кольцевой латеральной ловушке, (а) Пороговое возникновение и рост узкой спектральной линии при увеличении мощности Р надбарьерного лазера (А = 659 нм). Мощность подбарьерного лазера Р7В2пт = Ю мкВт. Температура Т = 0.46 К. (Ь) Рост линии (фон от локализованных состояний вычтен) с понижением Т при фиксированном фотовозбуждении: Рвьвпт = 0.8 мкВт, Р782пт = Ю мкВт
ки, при вариации непрерывной накачки и Т = 0.46 К. В данном случае накачка осуществлялась одновременным действием лазеров с А = 659 нм и А = 782 нм с целью максимальной компенсации избыточных зарядов в ловушке. При этом варьировалась только мощность лазера с А = 659 нм, осуществляющего над-барьерное фотовозбуждение.
При очень малых на
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.