Письма в ЖЭТФ, том 96, вып. 2, с. 145-155
© 2012 г. 25 июля
ПО ИТОГАМ ПРОЕКТОВ РОССИЙСКОГО ФОНДА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Проект РФФИ # 09-02-00578
О фазовой диаграмме бозе-конденсации диполярных экситонов в СаАв/АЮаАв гетероструктурах с квантовыми ямами
А. В. Горбу нов1}, В. Б. Тимофеев Институт физики твердого тела РАН, 142432 Черноголовка, Россия Поступила в редакцию 13 июня 2012 г.
В работе сделан обзор экспериментов по изучению фазовой диаграммы бозе-конденсации пространственно-непрямых диполярных экситонов в СаАз/АЮаАв квантовых ямах. Обсуждаются свойства пространственно-периодических структур, возникающих при люминесценции экситонного конденсата в кольцевой потенциальной ловушке, и когерентность люминесценции экситонного бозе-конденсата.
1. Введение. Водородоподобные экситоны в полупроводниках на протяжении более полувека с успехом используются как удобный физический объект, позволяющий моделировать поведение вещества при вариации плотности и внешних воздействий (температуры, давления, электрического и магнитного полей и т.д.). В зависимости от концентрации электронно-дырочных (е-Ь) возбуждений и температуры в эксперименте могут быть реализованы ситуации слабо взаимодействующего экситонного газа, молекулярного экситонного газа (газа биэкситонов), спин-ориентированного газа экситонов, металлической е-Ь-жидкости (капель ЭДЖ), вырожденной е-Ь-плазмы и т.д.
Экситон состоит из двух ферми-квазичастиц -электрона и дырки, связанных кулоновским притяжением. Поэтому результирующий спин экситона -целочисленный, а сам водородоподобный экситон является композитным бозоном. На этом основывалась гипотеза, сформулированная еще в начале 60-х годов прошлого века, о возможности бозе-эйнштейновской конденсации (БЭК) слабонеидеального и разреженного газа экситонов (па^х -С 1, п-экситонная плотность, аех = еН2 / це2-боровский радиус экситона, е — диэлектрическая проницаемость среды, ц — приведенная масса экситона, е-заряд электрона, (¿-размерность системы), охлажденного до достаточно низких температур [1-5]. Согласно работам Эйнштейна [6,7] (см. также [8,9]) БЭК в идеальном газе тождественных слабовзаимодействующих бозе-частиц происхо-
Че-таП: gorbunoveissp.ac.ru
дит, когда де-бройлевская длина волны (Аав) начинает превышать среднее межчастичное расстояние: Лав — (2лН2/тквТ)1/2 > пгде то-масса частицы, п— плотность газа. В этих условиях полная свободная энергия системы бозонов минимизируется. Бозе-конденсация сопровождается макроскопическим заполнением основного состояния с нулевым моментом и появлением спонтанного параметра порядка (когерентности) в конденсате, который разрушается из-за тепловых флуктуаций [8,9]. Сконденсировавшиеся в такое состояние бозе-частицы образуют коллективное состояние, которое представляет собой крупномасштабную когерентную материальную волну [9]. Вследствие квантовомеханических эффектов обменного межчастичного взаимодействия возникающее квантовое состояние оказывается устойчивым, поскольку вклады обменных взаимодействий складываются когерентно. Индивидуальные свойства бозе-частиц в конденсате теряются, а сам конденсат демонстрирует коллективные когерентные свойства на макроскопических масштабах. Здесь уместно напомнить, что бездиссипативное течение материи-явления сверхтекучести 3Не, 4Не и сверхпроводимости в металлах-непосредственно связано с бозе-конденсацией композитных бозонов. В случае сверхпроводников связанные в куперовские пары ферми-оны также являются композитными бозонами [9]. На возможную связь сверхтекучести 4Не с явлением БЭК впервые обратил внимание Ф. Лондон еще в 1938 г. [10].
С момента предсказания Эйнштейном явления бо-зе-конденсации прошло около 70 лет, прежде чем са-
мо явление БЭК было обнаружено экспериментально в разреженных сильно охлажденных газах атомов щелочных металлов с результирующим целочисленным спином [11]. Это выдающееся достижение, отмеченное Нобелевской премией, стало возможным благодаря элегантной реализации техники лазерного и испарительного охлаждения газа бозе-атомов, избирательно накапливаемых в ограниченных объемах в магнитооптических ловушках [11]. Температуры перехода Тс в случае газов бозе-атомов оказались чрезвычайно низкими, масштаба мкК и ниже. Это обусловлено большими массами атомов и относительно невысокими плотностями газа из-за неизбежных потерь в условиях накопления атомов в ловушках и их испарительного охлаждения.
В связи с обнаружением явления БЭК в сильно охлажденных разреженных бозе-газах интерес к экситонам как к принципиально иному новому объекту экспериментальных исследований в этой интенсивно развивающейся области существенно возрос и приобрел несомненную актуальность. Привлекательность такого объекта прежде всего определялась тем, что трансляционные эффективные массы экситонов в полупроводниках на несколько порядков величины меньше атомных масс. Поэтому ожидалось, что БЭК экситонного газа может происходить при обычных криогенных температурах, составляющих несколько единиц и даже десятков К. Вместе с тем, в отличие от атомов, экситоны метастабильны, имеют конечные времена жизни, являются диссипативной и термодинамически неравновесной системой взаимодействующих бозе-квазичастиц. Сможет ли происходить бозе-конденсация экситонов в таких условиях? Ответ на этот вопрос мог дать только эксперимент.
В последние годы интерес к этой проблеме сконцентрировался на экситонах в квазидвумерных системах. Наиболее эффективно исследуются квазидвумерные экситоны в полупроводниковых гетерострук-турах с пространственным разделением электронных и дырочных слоев [12-29], а также двумерные экси-тонные поляритоны в квантовых ямах, размещенных в микрорезонаторах [30-32]). Наиболее подходящими для обнаружения и исследования БЭК экситонов оказались двойные и широкие одиночные квантовые ямы в гетероструктурах, помещенные в электрическое поле, поперечное гетерослоям. В таких структурах фотовозбужденные электроны и дырки, которые связываются в экситоны, пространственно разделены. Поэтому скорости излучательной аннигиляции таких пространственно-непрямых экситонов оказываются на несколько порядков меньше скорости релаксации экситонов вдоль энергетической оси. Яв-
ление бозе-конденсации таких непрямых экситонов продемонстрировало наиболее значимые особенности и свойства, характерные для Бозе-Эйнштейновских конденсатов, наблюдаемых в разреженных и охлажденных атомных системах. К числу таких свойств следует отнести следующие: экспериментальные наблюдения сужения экситонных распределений по импульсу в окрестности к = 0 (трансформацию больц-мановского классического типа распределений к бо-зевскому квантовому) и макроскопическое накопление экситонов в этой области (существенное возрастание чисел заполнения экситонов, пи 1) за счет процессов стимулированного рассеяния при накачках выше порога конденсации [20,24,27]; наблюдение пространственных сжатий экситонных бозе-конден-сатов, накапливаемых в естественных и искусственно приготовленных ловушках [27]; обнаружение крупномасштабной пространственной когерентности [25, 27], а также линейной поляризации люминесценции поляритонного конденсата и взаимосвязи этого явления со спонтанным нарушением симметрии [28]. В следующем пункте мы перейдем к обсуждению исследований фазовой диаграммы бозе-конденсации пространственно-непрямых экситонов.
2. Фазовая диаграмма БЭК. Исследовалась бо-зе-конденсация экситонов в широкой (25 нм) одиночной СаАв-квантовой яме, помещенной в поперечное гетерослоям электрическое поле, которое прикладывалось между металлической пленкой (затвором Шоттки) на поверхности АЮаАз/СаАв гетеро-структуры и проводящим электронным слоем внутри структуры (встроенным нижним п+-электродом). Благодаря приложенному электрическому полю пространственно-непрямые экситоны имеют в нижайшем состоянии большой дипольный момент (около 100 Д). Поэтому такие экситоны называют также ди-полярными. В исследуемой нами системе диполяр-ные 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 непрозрачной металлической маске. Диполярные экситоны накапливались в кольцевой латеральной ловушке, которая возникала вдоль периметра окна из-за сильно неоднородного электрического поля [25,26,33]. Использование светосильной проекционной оптической системы (угловая апертура М.А. ~ 0.28) позволяло наблюдать пространственную структуру люминесценции диполярных экситонов из окна в металлическом затворе с разрешением около 1.5 мкм. Увеличенное изображение окна в металлическом затворе, через которое велись фотоПисьма в ЖЭТФ том 96 вып. 1-2 2012
1.512 1.514 1.516 1.518 1.514 1.516 1.518
Е (eV)
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 Р = ЮмкВт (782 нм). Т = 0.46 К. (Ь) - Рост линии с понижением Т при фиксированном фотовозбуждении (фон от локализованных состояний вычтен): Реев = 0.8мкВт, Р782 = ЮмкВт
возбуждение и наблюдение люминесценции, проецировалось либо на входную щель спектрометра, либо, минуя спектрометр, непосредственно на фоточувствительную матрицу охлаждаемой кремниевой CCD-камеры. Образец размещался в гелиевом оптическом криостате, в котором можно было проводить эксперименты в интервале температур 0.454.2 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. Конструкция проекционной оптической системы позволяла оперативно переходить от наблюдения картины люминесценции с высоким пространственным разрешением к in situ оптическому фурье-преобразованию изображений, т.е. к угловому распределению люминесцентного излучения. Возбуждение диполярных экситонов осуществлялось одновременн
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.