Приглашение проф. А. В. Кавокина для создани я лаборатории и выполнения научных исследований в направлении "Polariton Spin Devices": 2020 г. этап 5

Project

Project Details

Description

В отчетном году в лаборатории выполнялись научные исследования по следующим основным направлениям:
1) Спектроскопия поляритонов в гетероструктурах с микрорезонаторами.
2) Электронно-ядерная спиновая динамика в объемных полупроводниках и наноструктурах.
3) Спектроскопия спиновых шумов.
4) Экситонная спектроскопия.
5) Четырехволновое смешение и фотонное эхо.
6) Спиновая динамика в полупроводниковых наноструктурах.
7) Магнитная ориентация птиц.
Научные исследования поддержаны СПбГУ в рамках проекта 51125686, а также финансированием из 10 грантов, в том числе 8 грантов РФФИ, 2 гранта РНФ (список грантов прилагается). На момент представления отчета (20.11.2020) сотрудниками лаборатории опубликовано 40 научных статей (включая статьи, принятые к печати), а также подано в печать еще 12 статей. Список статей прилагается. Значительная часть (22) статей опубликована в журналах с высоким импакт-фактором (квартиль Q1). В частности, опубликована 1 статья в журнале Nano Letters (IF = 11.24), 1 статья в Proceedings of the national academy of sciences of the USA (IF = 9.41), 2 статьи в журнале Physical Review Letters (IF = 8.385), 1 статья в журнале 2D Materials (IF = 7.14) и 1 статья в журнале ACS Photonics (IF = 6.86). Благодарность на поддержку СПбГУ в рамках проекта 51125686 указана в 26 статьях, в том числе в 16 статьях, опубликованных в журналах квартили Q1. Список статей прилагается.

Layman's description

В отчетном году в лаборатории выполнялись научные исследования по следующим основным направлениям:
1) Спектроскопия поляритонов в гетероструктурах с микрорезонаторами.
2) Электронно-ядерная спиновая динамика в объемных полупроводниках и наноструктурах.
3) Спектроскопия спиновых шумов.
4) Экситонная спектроскопия.
5) Четырехволновое смешение и фотонное эхо.
6) Спиновая динамика в полупроводниковых наноструктурах.
7) Магнитная ориентация птиц.
Научные исследования поддержаны СПбГУ в рамках проекта 51125686, а также финансированием из 10 грантов, в том числе 8 грантов РФФИ, 2 гранта РНФ (список грантов прилагается). На момент представления отчета (20.11.2020) сотрудниками лаборатории опубликовано 40 научных статей (включая статьи, принятые к печати), а также подано в печать еще 12 статей. Список статей прилагается. Значительная часть (22) статей опубликована в журналах с высоким импакт-фактором (квартиль Q1). В частности, опубликована 1 статья в журнале Nano Letters (IF = 11.24), 1 статья в Proceedings of the national academy of sciences of the USA (IF = 9.41), 2 статьи в журнале Physical Review Letters (IF = 8.385), 1 статья в журнале 2D Materials (IF = 7.14) и 1 статья в журнале ACS Photonics (IF = 6.86). Благодарность на поддержку СПбГУ в рамках проекта 51125686 указана в 26 статьях, в том числе в 16 статьях, опубликованных в журналах квартили Q1. Список статей прилагается.

Key findings for the stage (in detail)

В отчетном году в лаборатории выполнялись научные исследования по следующим основным направлениям: 1) Спектроскопия поляритонов в гетероструктурах с микрорезонаторами. 2) Электронно-ядерная спиновая динамика в объемных полупроводниках и наноструктурах. 3) Спектроскопия спиновых шумов. 4) Экситонная спектроскопия. 5) Четырехволновое смешение и фотонное эхо. 6) Спиновая динамика в полупроводниковых наноструктурах. 7) Магнитная ориентация птиц.
Научные исследования поддержаны СПбГУ в рамках проекта 51125686, а также финансированием из 10 грантов, в том числе 8 грантов РФФИ, 2 гранта РНФ (список грантов прилагается). На момент представления отчета (20.11.2020) сотрудниками лаборатории опубликовано 40 научных статей (включая статьи, принятые к печати), а также подано в печать еще 12 статей. Список статей прилагается. Значительная часть (22) статей опубликована в журналах с высоким импакт-фактором (квартиль Q1). В частности, опубликована 1 статья в журнале Nano Letters (IF = 11.24), 1 статья в Proceedings of the national academy of sciences of the USA (IF = 9.41), 2 статьи в журнале Physical Review Letters (IF = 8.385), 1 статья в журнале 2D Materials (IF = 7.14) и 1 статья в журнале ACS Photonics (IF = 6.86). Благодарность на поддержку СПбГУ в рамках проекта 51125686 указана в 26 статьях, в том числе в 16 статьях, опубликованных в журналах квартили Q1. Список статей прилагается.
По направлению (1) «Спектроскопия поляритонов в гетероструктурах с микрорезонаторами» получены следующие научные результаты Таким образом, нами экспериментально исследованы циркулярные сверхтекучие токи экситонных поляритонов, возбужденные нерезонансно лазерным светом в полупроводниковом микропилларе на основе арсенида галлия. Получены устойчивые незатухающие токи. Информация о направлении тока и орбительном моменте конденсата получена из обработки интерферограммы, измеренной путем сложении ближнеполевого сигнала фотолюминесценции конденсата с опорной сферической световой волной. В результате впервые экспериментально детектированы токовые состояния поляритонного конденсата с полуцелым угловым моментом. Эти состояния стабилизированы благодаря пинингу темного солитона, характеризующегося изменением фазы конденсата на π. Состояния, как с положительным, так и с отрицательным полуцелым угловым моментом конденсата были экспериментально обнаружены. Эти состояния являются базисом поляритонного кубита, исследованию которого посвящены теоретические и экспериметальные исследования лаборатории Оптики спина. Более подробная информация о проведенных исследованиях представлена в статье [Sedov E.S., V. Lukoshkin V.A., Kalevich V.K., Hatzopoulos Z., Savvidis P.G., Kavokin A.V. Persistent currents in half-moon polariton condensates, ACS Photonics 7, 1163 (2020)].
Так же было экспериментально изучены поляритонные потоки в двумерных кристаллах на основе дихалькогенидов переходных металлов [Rupprecht, C; Sedov, E; Klaas, M; Knopf, H; Blei, M; Lundt, N; Tongay, S; Taniguchi, T ; Watanabe, K; Schulz, U; Kavokin A.V. ; Eilenberger, F ; Hofling, S; Schneider, C, Manipulation of room-temperature valley-coherent exciton-polaritons in atomically thin crystals by real and artificial magnetic fields, 2D MATERIALS, Volume: 7, Issue: 3, Article Number: 035025 DOI: 10.1088/20531583/ab8e90 (2020)]. Было исследовано влияние внешнего магнитного поля и эффективного, встроенного, магнитного поля, зависящего от TE-TM расщепления мод полупроводникового микрорезонатора, на спиновое состояние поляритоннов при комнатной температуре. Изучено влияние экситонного резервуара на спиновую релаксацию поляритонов. Эти результаты важны для построения поляритонной платформы для квантовых вычислений.
Теоретически, в работе [Sedov, ES; Sedova, IE; Arakelian, SM; Kavokin A.V., Magnetic control over thezitterbewegungof exciton-polaritons, NEW JOURNAL OF PHYSICS, Volume: 22, Issue: 8, Article Number: 083059, DOI: 10.1088/1367-2630/aba731 (2020)] было исследовано фундаментальное явление: zitterbewegung, предсказанное Эрвином Шредингером в 1930 году для релятивистских электронов. Было показано, что этот эффект, заключающейся в зигзагообразном изменении траектории частицы, может быть реализован в полупроводниковых микрорезонаторах в режиме комбинированной оптической накачки. Исследования поддержаны базовым финансированием СПбГУ и грантом РФФИ-ННИО 19-52-12032 «Бозонный спиновый транспорт в поляритонных конденсатах» (2019-2022, рук. А. В. Кавокин).
По направлению (2) «Электронно-ядерная спиновая динамика в объемных полупроводниках и наноструктурах» получены следующие научные результаты. Было экспериментально проведено адиабатическое размагничивание спиновой системы ядер мышьяка во вращающейся системе координат., т.е. путём приложения последовательности радиочастотных импульсов в постоянном магнитном поле B=0.75T. При этом удалось селективно охладить тепловой резервуар спин-спиновых и квадрупольных взаимодействий ядер мышьяка до рекордно низких спиновых температур в +0.54 и -0.57 микрокельвинов, и измерить локальные поля соответствующих взаимодействий. В работе [M. S. Kuznetsova, J. Rautert, K. V. Kavokin, D. S. Smirnov, D. R. Yakovlev, A. K. Bakarov, A. K. Gutakovskii, T. S. Shamirzaev, and M. Bayer «Electron-nuclei interaction in X valley of (In,Al)As/AlAs quantum dots», Phys. Rev. B, 101, 075412 (2020)] проведено определение констант сверхтонкого электрон-ядерного взаимодействия в квантовых точках на основе (In,Al)As/AlAs, характеризуемых наличием непрямого Х-минимума в зоне проводимости. Экспериментально измерялись спектры поляризованной люминесценции в продольном и поперечном магнитных полях. В геометрии Фохта (поперечное поле) регистрируется отчетливо выраженный эффект Ханле. Контур кривой Ханле хорошо описывается функцией Лоренца с полушириной 1.25 мТл. В геометрии Фарадея (продольное поле) степень циркулярной поляризации растет с ростом модуля поля и насыщается, увеличившись в 2.5 раза. Контур полученной кривой также хорошо описывается функцией Лоренца с той же полушириной. Измерение температурных зависимостей ширин кривых Ханле и PRC в диапазоне температур 2-30 К показало, что их значения от температуры не зависят. Постоянство ΔRCP и ΔH в широком диапазоне температур позволяет сделать вывод о том, что при низких температурах спиновая релаксация спин-поляризованых электронов в КТ определяется сверхтонким взаимодействием со спинами ядер. Теоретический симметрийный анализ электронных блоховских амплитуд в Х долине и микроскопический расчёт методом DFT показывают, что сверхтонкое взаимодействие в Х долине, во-первых, подавлено по сравнению с Г долиной, а, во-вторых, анизотропно. Сравнение теории и DFT расчетов с экспериментальными данными дает возможность определить значения констант сверхтонкого взаимодействия для каждого и трех типов ядер (Al, In, As), формирующих КТ. Исследования поддержаны базовым финансированием СПбГУ и грантом РФФИ-ННИО 19-52-12043 «Воздействие охлаждения ядерных спинов на спиновую когерентность носителей» (2019-2022, рук. К. В. Кавокин).

По направлению (3) «Спектроскопия спиновых шумов» получены следующие научные результаты. В результате более детального рассмотрения вопросов поляриметрической чувствительности и механизмов формирования сигнала спиновых шумов в средах с неоднородным уширением оптических спектров, нами было доопределено понятие эффективного сечения фарадеевского вращения. Выявлен фактор, влияющий на колоссальное усиление флуктуационных сигналов фарадеевского вращения в средах с большим отношением неоднородного и однородного оптического уширения спектральных линий. Результаты экспериментальных исследований, основанные на данной концепции, были осуществлены в сотрудничестве с Техническим университетом Дортмунда и опубликованы в 2020 г. в работе [A. N. Kamenskii, A. Greilich, I. I. Ryzhov, G. G. Kozlov, M. Bayer, V. S. Zapasskii. Giant spin-noise gain enables magnetic resonance spectroscopy of impurity crystals. Phys. Rev. Research 2, 023317 (2020).].
В рамках выполнения предыдущего этапа проекта нашей группой было обнаружено проявление эффекта спинового выстраивания при наблюдении спинового шума в атомных парах цезия. Анализ спектра шумов эллиптичности зондирующего систему пучка света показал, что этот спектр, при помещении системы в поперечное магнитное поле, обогащается двумя пиками, положение которых по частоте соответствует одиночной и удвоенной ларморовской частоте прецессии атомных спинов в этом магнитном поле. Теоретический анализ показал, что наблюдаемый эффект обусловлен ненулевым значением коррелятора спиновых флуктуаций Czx(τ) = ⟨{FzFx}(t+τ){FzFx}(t)⟩ при значении полного момента F>1/2. Таким образом, наличие спинового выстраивания возможное только для системы спинов >1/2, отсутствует для спинов электрона S=1/2 и обусловлено чисто симметрийными соображениями. Обнаруженный эффект на системе атомных паров цезия при зондировании системы в окрестности оптического перехода D2 линии поглощения, где основное состояние формируется спинами F=3, F=4, проявляется и объясняется в рамках не выходящих за пределы линейной оптики. По результатам исследований опубликована в 2020 году работа [A. A. Fomin, M. Yu. Petrov, G. G. Kozlov, M. M. Glazov, I. I. Ryzhov, M. V. Balabas, and V. S. Zapasskii. Spin-alignment noise in atomic vapor. Phys. Rev. Research 2, 012008(R) (2020).].
Применяя спектроскопию поляризационных флуктуаций к излучению экситон-поляритонных конденсатов Бозе–Эйнштейна, нам удалось исследовать внутреннее спиновое состояние конденсата. Сведения, содержащиеся в поляризационных шумах экситон-поляритонного излучения, могут отражать квантовую статистику поляритонов в конденсате. Обнаружено, что соотношение между шумом эллиптичности излучения конденсата и шумом вращения его плоскости поляризации нетривиальным образом зависит от интенсивности непрерывной нерезонансной лазерной накачки, и показано, что взаимодействие между эллиптичностью и шумом вращения можно объяснить с точки зрения конкурирующих процессов самоиндуцированной ларморовской прецессией псевдоспина конденсата и встроенной анизотропией микрорезонатора. Результаты исследований опубликованы в журнал Physical Review Research [I.I. Ryzhov, V. O. Kozlov, N. S. Kuznetsov, I. Yu. Chestnov, A. V. Kavokin, A. Tzimis, Z. Hatzopoulos, P. G. Savvidis, G. G. Kozlov, and V. S. Zapasskii, Spin noise signatures of the self-induced Larmor precession, Phys. Rev. Research 2, 022064(R) (2020).]. Результаты выполненной в 2019 работы по исследованию угловой зависимости интенсивности света, рассеянного на переворотах спинов в квантовых точках в микрорезонаторе, была опубликована в начале года [A. N. Kamenskii, M. Yu. Petrov, G. G. Kozlov, V. S. Zapasskii, S. E. Scholz, C. Sgroi, A. Ludwig, A. D. Wieck, M. Bayer, and A. Greilich, “Detection and amplification of spin noise using scattered laser light in a quantum-dot microcavity, Phys. Rev. B, 101, 041401 (2020)]. .Исследования поддержаны базовым финансированием СПбГУ, грантом РФФИ-ННИО 19-52-12054 «Фундаментальные проблемы формирования сигнала спинового шума» (2019-2022, рук. В. С. Запасский).
По направлению (4) «Экситонная спектроскопия» получены следующие научные результаты В высококачественной гетероструктуре GaAs/AlGaAs с 14-нм квантовой ямой и невысокими барьерами (3% алюминия, образец Т670) методами спектроскопии нерадиационного уширения экситонных резонансов (NBE) и возбуждения люминесценции (PLE) изучен энергетический спектр состояний экситонов и свободных электронов и дырок. Помимо резонансов, соответствующих тяжелому и легкому экситонам, в спектре обнаружены ступенько-образные области, step1и step2 соответствующие переходам между свободными легкими и тяжелыми дырками и свободными электронами. Кроме того, обнаружен провал (dip) в спектре нерадиационного уширения, который соответствует переходам между дырочными состояниями, локализованными в квантовой яме, и электронными состояниями, делокализованными в барьерных слоях. Эти результаты с интерпретацией спектров будут опубликованы в статье [A.S. Kurdyubov, B.F. Gribakin, A.V. Mikhailov, A.V. Trifonov, Yu.P. Efimov, S.A. Eliseev, V.A. Lovtcius, and I.V. Ignatiev, Energy spectrum in a shallow GaAs/AlGaAs quantum well probed by spectroscopy of nonradiative broadening of exciton resonances, Semiconductors Vol. 54, No. 11, pp. 1514–1517, 2020].
В этой же гетероструктуре методом накачки-зондирования со спектральным разрешением изучена динамика нерадиационного уширения резонансов легких и тяжелых экситонов. Установлено, что динамика уширения состоит из быстрой и медленной компонент. Быстрая компонента с характерным временем затухания 10 пс обусловлена взаимодействием фоторожденных экситонов между собой. Медленная компонента сигнала, наблюдаемая при возбуждении в ступеньки и в барьер, имеет характерные времена в десятки наносекунд. При возбуждении в провал характерное время затухания медленной компоненты значительно меньше и составляет несколько наносекунд. Построена модель динамики уширения, в рамках которой предполагается, что медленная компонента нерадиационного уширения обусловлена взаимодействием фоторожденных экситонов с экситонами, накопленными в нерадиационном резервуаре, а также со свободными электронами и дырками. Выполнено численное решение нелинейных кинетических уравнений, описывающих экситонную динамику в рамках этой модели, и определены ключевые параметры модели с помощью подгонки расчетных кривых к экспериментальным данным.
Выполнено теоретическое моделирование экситон-экситонного взаимодействия в квантовых ямах различной ширины. Рассматриваются только покоящиеся экситоны, т.е., экситоны с нулевым волновым вектором движения центра тяжести вдоль слоя квантовой ямы. Предполагается, что основным механизмом взаимодействия в этом случае является обмен электронами и дырками при взаимодействии экситонов одного типа, например, тяжелых экситонов, или только электронами при взаимодействии легких и тяжелых экситонов. Выполнен модельно точный микроскопический расчет волновых функций экситонов и расчет 12-мерных интегралов, описывающих обменное взаимодействие. Получена зависимость константы обменного взаимодействия J от ширины квантовой ямы. Полученные результаты будут опубликованы в статье [E.S. Khramtsov, B.F. Gribakin, A.V. Trifonov, and I.V. Ignatiev, Modeling of exciton exchange interaction in GaAs/AlGaAs quantum wells, Semiconductors, Vol. 54, No. 11, pp. 1503–1505, 2020]. Выполнено экспериментальное и теоретическое исследование поляритонных состояний в широкой квантовой яме GaAs в косом электрическом поле. Благодаря высокой чувствительности метода электроотражения, развитого в этой работе, удалось наблюдать несколько десятков размерно-квантованных экситонных состояний в широком спектральном диапазоне около 300 мэВ. Установлено, что с ростом величины приложенного электрического поля спектральные осцилляции, обусловленные экситонными переходами на размерно-квантованные состояния, уменьшаются по амплитуде и практически полностью исчезают при некотором критическом значении поля. Однако, при дальнейшем росте напряженности поля, спектральные осцилляции появляются вновь, причем их фаза инвертирована, по сравнению с фазой при нулевом значении поля. Развита теория наблюдаемого эффекта. Показано, что наличие компоненты электрического поля вдоль слоя квантовой ямы приводит к различию волновых векторов движения поляритонов в прямом и обратном направлениях. В результате этого, в зависимости от величины поля, происходит конструктивная или деструктивная интерференциях световых волн, выходящих из гетероструктуры.
Методом накачки-зондирования обнаружен и исследован новый эффект осцилляций энергии размерно-квантованных экситонных состояний в квантовой яме GaAs/InGaAs при импульсном возбуждении в суперпозиционное состояние. Осцилляции обнаружены на частоте, соответствующей квантовым биениям экситонных состояний. Развита теоретическая модель, показывающая, что наблюдаемый эффект обусловлен когерентным экситон-экситонным обменным взаимодействием. По результатам выполненных исследований подготовлена статья [A.V. Trifonov, A. S. Kurdyubov, I. Ya. Gerlovin, D. S. Smirnov, K. V. Kavokin, I. A. Yugova, M. Assmann, and A. V. Kavokin, Quantum coherence of exciton-exciton exchange interaction], которая будет направлена в журнал Physical Review Research.
Проведено теоретическое исследование оптически активных (s-волновых) состояний экситонов в одиночных квантовых ямах на основе GaAs различной ширины. Исследование выполнено с помощью разработанного за последние годы конечно-разностного алгоритма решения трёхмерного уравнения Шредингера. Получен спектр данных состояний как функция ширины квантовой ямы для ширин до 200 нм. Таким образом, получены опорные данные, которые помогут в проводящихся в лаборатории экспериментах по спектроскопии наноструктур. Результаты работы опубликованы в статье [P. A. Belov, Optically active energy states of the exciton in quantum wells of various widths, J. Phys.: Conf. Series 1482, 012018 (2020).].
Было проведено теоретическое исследование непрямых экситонов в двойных квантовых ямах на основе GaAs в магнитном поле. Известно, что непрямой экситон в основном состоянии может быть получен при приложении к такой структуре электрического поля в направлении роста структуры. Если, помимо электрического, приложить в том же направлении магнитное поле, то перекрытие волновых функций электрона и дырки увеличится и, как результат, их скорость радиационного распада возрастет. Как результат, появляется возможность «высветить» непрямой экситон. В работе было проведено численное моделирование энергии основного состояния непрямого экситона и соответствующей скорости радиационного распада. Были найдены оптимальные параметры структуры и внешних условий для возможности наблюдения непрямого экситона в спектрах отражения. По результатам исследований подготовлена статья [P. A. Belov, Illuminating the indirect excitons in double quantum wells by a magnetic field].
Проведено численное исследование фаз в модели, схожей с экспериментально реализуемыми в настоящее время в Сколково решетками поляритонного Бозе конденсата [N.G. Berloff et al., Nat. Mat. 16 (2017) 1120]. C помощью реализованного метода Монте-Карло были исследованы функции высоты шестивершинной модели, как в точке свободных фермионов, так и при других соотношениях на больцмановские веса. Используя реализованные численные алгоритмы (метод Метрополиса и метод Вонга-Ландау) было проведено вычисление корреляционной функции в неупорядоченной фазе, а также в антиферроэлектрической фазе шестивершинной модели. В скейлинговом пределе была аналитически получена функция высоты шестивершинной модели в точке свободных фермионов и выведена формула для двухточечной корреляционной функции. Наблюдается хорошее согласие численных и аналитических результатов. По результатам работы подготовлена и принята к печати статья [P. A. Belov, The limit shape of the height function in the six-vertex model with domain-wall boundary conditions, Journal of Physics: Conference Series 1482, 012018, 2020], а также готовится к подаче в журнал статья [P.A. Belov, N.Yu. Reshetikhin, Two-point correlation function in the six vertex model. (J. Phys. A Math. Theor.)]. .Исследования поддержаны базовым финансированием СПбГУ, грантом РФФИ 19-02-00576 А (2019-2021, рук. И. В. Игнатьев), грантом РНФ 19-72-20039 (2019-2022, рук. И. В. Игнатьев), грантом РФФИ-Стабильность 20-32-70131 (2019-2021), руководитель Трифонов А.В.

По направлению (5) «Четырехволновое смешение и фотонное эхо» получены следующие научные результаты. В ходе выполнения работ по проекту мы использовали метод двух импульсного спин-зависимого фотонного эха (ФЭ) для изучения спиновой анизотропии дырки в плоскости в одиночной квантовой яме CdTe/Cd0.76Mg0.24Te путем возбуждения донорно-связанного экситонного резонанса. Основываясь на высокой чувствительности фотонного эха к относительной фазе прецессии спина электрона и дырки были изучены различные взаимодействия, ответственные за анизотропные свойствам спина дырки в плоскости квантовой ямы. Основной вклад, как оказалось, связан с кубической симметрией кристалла, описываемой параметром Латтингера q=0.095, который существенно больше, чем теоретически ожидаемый для CdTe или найденный в других структурах квантовых ям. Другой вклад индуцируется деформацией внутри квантовой ямы. Эти два вклада проявляются в виде различных гармоник частот спиновой прецессии в эксперименте с фотонным эхом, когда изменяется напряженность и ориентация магнитного поля Фойгта. Установлено, что величина эффективного g фактора дырки изменяется в диапазоне 0,125--0,160 в плоскости квантовой ямы. Результаты работы опубликованы в [S. V. Poltavtsev, I. A. Yugova, A. N. Kosarev, D. R. Yakovlev, G. Karczewski, S. Chusnutdinow, T. Wojtowicz, I. A. Akimov, and M. Bayer, In-plane anisotropy of the hole g factor in CdTe/(Cd,Mg)Te quantum wells studied by spin-dependent photon echoes, Physical Review Research 2, 023160 (2020).]. Развита теоретическая модель, которая описывает зависимость максимума амплитуды фотонного эха (ref = 212) для трионной системы (экситон, локализованный на заряженном доноре) от параметров системы, поляризационной конфигурации, величины магнитного поля, ориентации образца относительного направления магнитного поля и задержки между первым и вторым импульсами. Разработан экспериментальный метод для изучения анизотропных спиновых свойств носителей в наноструктурах, который позволяет определить не только угловую зависимость эффективного g фактора, но и симметрию микроскопического механизма возникновения анизотропии. Исследования поддержаны базовым финансированием СПбГУ и грантом РФФИ-ННИО 19-52-12046 «Динамика четырехволнового смешения с участием спинов» (2019-2022, рук. С. В. Полтавцев).
По направлению (6) «Спиновая динамика в полупроводниковых наноструктурах» получены следующие научные результаты. В рамках направления «Спиновая динамика в полупроводниковых наноструктурах» экспериментально и теоретически была исследована когерентная спиновая динамика электронов в ансамбле однократно заряженных квантовых точек (In,Ga)As/GaAs при периодическом оптическом возбуждении методом фарадеевского вращения. Исследовалась степень контроля над ядерным спиновым резервуаром в неоднородном ансамбле квантовых точек лазером, работающим с высокой частотой повторения 1 ГГц, в магнитном поле, направленном перпендикулярно направлению распространения света. Это позволило использовать эффект синхронизации мод спиновой прецессии и эффект сильной обратной связи в электронно-ядерной спиновой системе. Несмотря на большой разброс g-фактора электронов в неоднородном ансамбле квантовых точек, разброс оптических переходов и широкое распределение ядерных спиновых флуктуаций, из всего ансамбля возбужденных спинов удалось сформировать одну прецессионную моду с частотой, соизмеримой с частотой следования лазерных импульсов.
Было обнаружено, что оптическая отстройка импульсов накачки от импульсов зондирования создает направленную динамическую поляризацию ядер и приводит к дискретизации полного ядерного поля, действующего на ансамбль электронов. Детальный анализ показал, что при этом возникает эффект уменьшения ядерных спиновых флуктуаций, сужения их спектра и, соответственно, удлинение времени дефазировки электронных спинов. Построена теоретическая модель, позволяющая объяснить экспериментально наблюдаемую динамику сильно связанной электрон-ядерной спиновой системы. Предложен протокол с возбуждением системы двумя лазерами с разными частотами повторения. С помощью лазера с более быстро следующими импульсами можно установить большую поляризацию ядерной спиновой системы за счет большого расстояния между модами электронной прецессии в режиме синхронизации спиновых мод, а другой лазер можно использовать для считывания и управления спинами. Таким образом, показано, что быстрое периодическое оптическое возбуждение можно использовать как инструмент для создания поляризации ядерного спина и манипулирования временем дефазировки неоднородного ансамбля электронных спинов. Результаты работы подготовлены для публикации.
Кроме этого методом нестационарного керровского вращения была исследована когерентная спиновая динамика электронов и дырок в легированных квантовых ямах на основе ZnSe и CdTe с двумерным электронным газом разной плотности. Измерения проводились в магнитных полях, приложенных в геометрии Фохта, т. е. перпендикулярно оптической оси и параллельно плоскости квантовой ямы, в диапазоне полей 0,05–6 Тл при температурах 1,8–50 К. Было обнаружено, что в обеих системах g-фактор электрона увеличивается по абсолютной величине при увеличении электронной плотности.
Эффект проявляется сильнее в слабых магнитных полях и подавляется при увеличении магнитного поля или при повышении температуры. Относительный рост g-фактора сильнее в квантовых ямах на основе ZnSe: g-фактор изменяется в этих квантовых ямах от +1,1 до +1,9 в диапазоне плотностей ne ~ 3х1010 - 1,4х1012 см−2, а в квантовых ямах на основе CdTe от −1,55 до −1,76 в диапазоне ne ~ 5х109 – 3х1011 см−2.
Электронный g-фактор (фактор Ланде, ge) - одно из основных свойств полупроводников и гетероструктур на их основе. Большинство спин-зависимых явлений и магнитооптических свойств определяется параметром ge, который характеризует зеемановское расщепление электронных спиновых состояний во внешнем магнитном поле. g-фактор определяется параметрами зонной структуры и из-за спин-орбитального взаимодействия обычно отличается от значения g-фактора электрона в вакууме, равного 2. Для объяснения экспериментально наблюдаемых закономерностей была разработана теоретическая модель, которая учитывает перенормировку константы спин-орбитального взаимодействия двумерных электронов из-за электрон-электронного взаимодействия и учитывает поправки на электрон-электронное взаимодействие в форме Хаббарда. Было получено, что наблюдаемый эффект критически зависит от силы кулоновского взаимодействия. Результаты теоретического анализа дают хорошее количественное согласие с экспериментальными данными. Результаты работы опубликованы в PHYSICAL REVIEW B [E. A. Zhukov , V. N. Mantsevich , D. R. Yakovlev , N. E. Kopteva, E. Kirstein , A. Waag, G. Karczewski, T. Wojtowicz , and M. Bayer, Renormalization of the electron g factor in the degenerate two-dimensional electron gas of ZnSe and CdTe-based quantum wells, Phys. Rev. B 102, 125306 (2020).]. .Исследования поддержаны базовым финансированием СПбГУ и грантом РФФИ-ННИО 19-52-12059 «Управление когерентностью сложных спиновых ансамблей в полупроводниковых наноструктурах» (2019-2022, рук. И. А. Югова).

По направлению (7) «Магнитная ориентация птиц» получены следующие научные результаты. Исследования осуществляются по 3 основным направлениям:
1) Поиск магнитных материалов в аппарате внутреннего уха (в частности, лагене) перелётных птиц и оценка их возможной роли в магниторецепции.
2) Исследование влияния магнитного поля на фотоответ изолированной сетчатки птиц.
3) Определение положения магниторецептора в голове птицы путём исследования воздействия локально приложенных высокочастотных магнитных полей на магнитную ориентацию птиц в сезон миграции.
По направлению 1 была проведена следующая работа.
Проведено теоретическое исследование нелинейного высокочастотного магнитного отклика метакристаллов магнетоферритина. Такие метакристаллы в форме сферических включений – кутикулосом – были обнаружены недавно в механорецепторных клетках внутреннего уха птиц. Метакристалл представляет собой гранецентрированную решётку наночастиц оксидов железа, покрытых белковой оболочкой; постоянная решётки составляет приблизительно 17 нанометров. Нами показано, что реакция такой структуры на магнитные поля в мегагерцовом диапазоне частот обусловлена адиабатической восприимчивостью магнитной системы, которая описывается спиновой термодинамикой, подобно ядерной спиновой системе твёрдых тел. Получено выражение для амплитуды второй гармоники нелинейного магнитного отклика как функции постоянного магнитного поля, которое позволяет идентифицировать присутствие кутикулосом в исследуемом биологическом материале. Подготовлена статья, находящаяся сейчас на рецензировании в журнале Physical Review B (Q1).
По направлению 2 была проведена следующая работа.
Опубликована статья A.Rotov, R.Cherbunin, A.Anashina, K.Kavokin, N.Chernetsov, M.Firsov, L.Astakhova “Searсhing for magnetic compass mechanism in pigeon retinal photoreceptors” в журнале PloS ONE (квартиль Q1). Следующая статья, «Electroretinographic study of magnetic compass in European robins», находится на повторном рецензировании в журнале Proceedings of Royal Society B (квартиль Q1). В этих работах исследовано изменение электрического отклика сетчатки глаз двух видов птиц - голубей и зарянок – на световые импульсы при изменении направления магнитного поля относительно плоскости сетчатки.
По направлению 3 была опубликована статья.
«Magnetic compass of garden warblers is not affected by oscillating magnetic fields applied to their eyes», J. Bojarinova, K. Kavokin, A. Pakhomov с соавторами в журнале SCIENTIFIC REPORTS (Том 10, номер статьи 3473, 2020), квартиль Q1. Благодаря сотрудничеству с пресс-службой СПбГУ наши исследования нашли отражение также в средствах массовой информации – нескольких электронных ресурсах и газете «Вечерний Санкт-Петербург» (номер 55 (545) от 8 июня 2020 г.). Дальнейшие исследования по этому направлению столкнулись с неожиданной проблемой – изменением ориентационного поведения модельного вида птиц, садовой славки, которое может быть связано с изменением климата. В осенние миграционные сезоны 2019 и 2020 года славки не показали значимой ориентации в контрольных экспериментах, что сделало невозможным проведение запланированных исследований влияния локально приложенных осциллирующих магнитных полей на магнитную ориентацию этих птиц. В дальнейшем планируется начать эксперименты с другим видом перелётных птиц – мухоловкой-пеструшкой. Исследования поддержаны базовым финансированием СПбГУ и грантом РНФ 16-14-10159 «Механизм работы магнитного компаса мигрирующих птиц» (продление на 2019-2020 гг). Участники от лаб. Оптики спина: Кавокин Кирилл Витальевич (основной исполнитель), Чербунин Роман Викторович.
Приложение 1. Развернутый научный отчет с иллюстрациями (Solab-results 2020.pdf) 2.Научные задачи на 2021 год (Solab-problems2020.pdf) 3.Список научных публикаций (Solab-publication 2020.pdf)4.Список научных проектов (Solab-projects 2020.pdf) 5.Список научных семинаров (Solab-seminars 2020.pdf) 6.Педагогическая деятельность (Solab-education2020.pdf)

Key findings for the stage (summarized)

В отчетном году в лаборатории выполнялись научные исследования по следующим основным направлениям: 1) Спектроскопия поляритонов в гетероструктурах с микрорезонаторами. 2) Электронно-ядерная спиновая динамика в объемных полупроводниках и наноструктурах. 3) Спектроскопия спиновых шумов. 4) Экситонная спектроскопия. 5) Четырехволновое смешение и фотонное эхо. 6) Спиновая динамика в полупроводниковых наноструктурах. 7) Магнитная ориентация птиц.
Научные исследования поддержаны СПбГУ в рамках проекта 51125686, а также финансированием из 10 грантов, в том числе 8 грантов РФФИ, 2 гранта РНФ (список грантов прилагается). На момент представления отчета (20.11.2020) сотрудниками лаборатории опубликовано 40 научных статей (включая статьи, принятые к печати), а также подано в печать еще 12 статей. Список статей прилагается. Значительная часть (22) статей опубликована в журналах с высоким импакт-фактором (квартиль Q1). В частности, опубликована 1 статья в журнале Nano Letters (IF = 11.24), 1 статья в Proceedings of the national academy of sciences of the USA (IF = 9.41), 2 статьи в журнале Physical Review Letters (IF = 8.385), 1 статья в журнале 2D Materials (IF = 7.14) и 1 статья в журнале ACS Photonics (IF = 6.86). Благодарность на поддержку СПбГУ в рамках проекта 5112 указана в 26 статьях, в том числе в 16 статьях, опубликованных в журналах квартили Q1. Список статей прилагается.
В ходе выполнения работ по 5-му этапу проекта были получены следующие основные результаты:
По направлению (1) «Спектроскопия поляритонов в гетероструктурах с микрорезонаторами» получены следующие научные результаты.
1. Методами ближнепольной оптической интерферометрии люминесценции конденсата было экспериментально продемонстрирована генерация экситон-поляритонных токов, несущих усредненный дробный угловой орбитальный момент. На основе экспериментальных данных проведено численное моделирование исследуемой системы с использованием уравнения Гросса-Питаевского.
2. Экспериментально исследованы циркулярные сверхтекучие токи экситонных поляритонов, возбужденные нерезонансно лазерным светом в полупроводниковом микропилларе на основе арсенида галлия. Были получены устойчивые незатухающие токи.
3. Была получена информация о направлении тока и орбитальном моменте конденсата из обработки интерферограммы, измеренной путем сложении ближнеполевого сигнала фотолюминесценции конденсата с опорной сферической световой волной. В результате впервые экспериментально детектированы токовые состояния поляритонного конденсата с полуцелым угловым моментом.
4. Были экспериментально обнаружены состояния, как с положительным, так и с отрицательным полуцелым угловым моментом конденсата.
5. Было показано, что эффект, заключающейся в зигзагообразном изменении траектории частицы, может быть реализован в полупроводниковых микрорезонаторах в режиме комбинированной оптической накачки.
По направлению (2) «Электронно-ядерная спиновая динамика в объемных полупроводниках и наноструктурах» получены следующие научные результаты.
1. Было экспериментально проведено адиабатическое размагничивание спиновой системы ядер мышьяка во вращающейся системе координат. При этом удалось селективно охладить тепловой резервуар спин-спиновых и квадрупольных взаимодействий ядер мышьяка до рекордно низких спиновых температур в +0.54 и -0.57 микрокельвинов, и измерить локальные поля соответствующих взаимодействий.
2. Было экспериментально и теоретически изучено сверхтонкое взаимодействие электронов и ядер в непрямозонных КТ (In,Al)As/AlAs первого рода. Были определены константы сверхтонкого взаимодействия для ядер In, Al, As.
3. Было определено время жизни электрона и время электронной спиновой релаксации в структуре GaAs:Mn.
По направлению (3) «Спектроскопия спиновых шумов» получены следующие научные результаты.
1. Был экспериментально исследован эффект спинового выстраивания, проявляющийся в спектре спонтанных флуктуаций системы спинов S>1/2.
2. Было построено теоретическое описание флуктуаций спинового выстраивания в терминах неупругого рамановского рассеяния света на спонтанных переворотах спина в парах атомов щелочного металла (цезий)
3. Было проведено теоретическое описание явление одевания спектра состояний, позволяющее осуществлять оптический контроль спиновой динамики системы за счет конструирования эффективного гамильтониана.
4. Был обнаружен эффект самоиндуцированной ларморовской прецессии псевдоспина конденсата при наличии встроенной анизотропии микрорезонатора.
5. Была экспериментально изучена угловая зависимость рассеяния света на флуктуациях гиротропии системы в ансамбле квантовых точек в микрорезонаторе.
По направлению (4) «Экситонная спектроскопия» получены следующие научные результаты.
1. Был экспериментально изучен энергетический спектр состояний экситонов и свободных электронов и дырок методами спектроскопии нерадиационного уширения экситонных резонансов и возбуждения люминесценции.
2. Помимо резонансов, соответствующих тяжелому и легкому экситонам, в спектре были обнаружены ступенько-образные области, step1и step2, соответствующие переходам между свободными легкими и тяжелыми дырками и свободными электронами. Кроме того, обнаружен провал (dip) в спектре нерадиационного уширения, который соответствует переходам между дырочными состояниями, локализованными в квантовой яме, и электронными состояниями, делокализованными в барьерных слоях.
3. Была экспериментально изучена динамика нерадиационного уширения резонансов легких и тяжелых экситонов.
4. Была построена теоретическая модель динамики уширения.
5. Было выполнено численное решение нелинейных кинетических уравнений, описывающих экситонную динамику в рамках этой модели.
6. Были определены ключевые параметры модели с помощью подгонки расчетных кривых к экспериментальным данным.
7. Было выполнено теоретическое моделирование экситон-экситонного взаимодействия в квантовых ямах различной ширины.
8. Был выполнен модельно точный микроскопический расчет волновых функций экситонов и расчет 12-мерных интегралов, описывающих обменное взаимодействие.
9. Было проведено экспериментальное и теоретическое исследование поляритонных состояний в широкой квантовой яме GaAs в косом электрическом поле.
10. Было проведено теоретическое рассмотрение уменьшения продольно-поперечного расщепления экситона в широкой квантовой яме GaAs/AlGaAs под действием однородного электрического поля.
11. Были рассчитаны экситонные спектры отражения широкой квантовой ямы для конфигурации, в которой поле направлено поперек слоя ямы
По направлению (5) «Четырехволновое смешение и фотонное эхо» получены следующие научные результаты.
1. Установлено, что величина эффективного g фактора дырки изменяется в диапазоне 0,125--0,160 в плоскости квантовой ямы CdTe/Cd0.76Mg0.24Te
2. Развита теоретическая модель, которая описывает зависимость максимума амплитуды фотонного эха (ref = 212) для трионной системы (экситон, локализованный на заряженном доноре) от параметров системы, поляризационной конфигурации, величины магнитного поля, ориентации образца относительного направления магнитного поля и задержки между первым и вторым импульсами имеет следующий вид:
3. Разработан экспериментальный метод для изучения анизотропных спиновых свойств носителей в наноструктурах, который позволяет определить не только угловую зависимость эффективного g фактора, но и симметрию микроскопического механизма возникновения анизотропии.
По направлению (6) «Спиновая динамика в полупроводниковых наноструктурах» получены следующие научные результаты.
1. Разработан экспериментальный метод для изучения анизотропных спиновых свойств носителей в наноструктурах.
2. Обнаружено, что оптическая отстройка импульсов накачки от импульсов зондирования создает направленную динамическую поляризацию ядер и приводит к дискретизации полного ядерного поля, действующего на ансамбль электронов.
3. Построена теоретическая модель, позволяющая объяснить экспериментально наблюдаемую динамику сильно связанной электрон-ядерной спиновой системы.
4. Обнаружено, что в легированных квантовых ямах на основе ZnSe и CdTe g-фактор электрона увеличивается по абсолютной величине при увеличении электронной плотности.
По направлению (7) «Магнитная ориентация птиц» получены следующие научные результаты.
1. Исследовано изменение электрического отклика сетчатки глаз двух видов птиц - голубей и зарянок – на световые импульсы при изменении направления магнитного поля относительно плоскости сетчатки.
2.Построена теоретическая модель нелинейного магнитного отклика наночастиц, основанная на уравнении Ландау-Лившица. Результаты расчёта достаточно хорошо воспроизвели результаты эксперимента с препаратами птиц.

Academic ownership of participants (text description)

1. Кавокин Алексей Витальевич-научное руководство лабораторией, постановка задач по спектроскопим поляритонов в гетероструктурах с микрорезонаторами, проведение теоретических расчетов, написание научных статей, нет
2. Игнатьев Иван Владимирович-постановка задач по теме экситонная спектроскопия, моделирование экспериментальных данных, подготовка научных статей, нет
3. Кавокин Кирилл Витальевич-постановка задач по теме электронно-ядерная спиновая динамика в объемных полупроводниках и наноструктурах, теоретическое описание экспериментальных данных, подготовка научных статей, нет
4. Запасский Валерий Сергеевич-постановка задач по теме спектроскопия спиновых шумов, экспериментальные исследования, подготовка научных статей, нет
5. Югова Ирина Анатольевна-постановка задач по теме спиновая динамика в полупроводниковых наноструктурах, теоретическое описание экспериментальных данных, подготовка научных статей, нет
6. Герловин Илья Яковлевич-теоретическое моделирование экспериментальных данных, подготовка научных статей, нет
7. Вербин Сергей Юрьевич-экспериментальные исследования, нет.
8. Глазов Михаил Михайлович-теоретическое моделирование экспериментальных результатов, подготовка научных статей, нет
9. Калевич Владимир Константинович-экспериментальные исследования, подготовка научных статей, нет
10. Козлов Глеб Геннадьевич-теоретические расчеты, подготовка научных статей, нет
11. Акопян Ирина Хачатуровна-экспериментальные исследования, подготовка научных статей, нет
12. Полтавцев Сергей Владимирович- проведение экспериментальных исследований, подготовка научных статей, нет
13. Кузнецова Мария Сергеевна-проведение экспериментальных исследований, подготовка научных статей, нет
14. Петров Михаил Юрьевич- проведение экспериментальных исследований, подготовка научных статей, нет
15. Чербунин Роман Викторович -проведение экспериментальных исследований, подготовка научных статей, нет
16. Рыжов Иван Игоревич -проведение экспериментальных исследований, подготовка научных статей, нет
17. Чукеев Максим Александрович-проведение экспериментальных исследований, нет
18. Афанасьев Михаил Михайлович -проведение экспериментальных исследований, подготовка научных статей, нет
19. Лукошкин Владимир Алексеевич -проведение экспериментальных исследований, подготовка научных статей, нет
20. Стесик Ольга Львовна-теоретическое моделирование, подготовка научных статей, нет
21. Трифонов Артур Валерьевич- проведение экспериментальных исследований, подготовка научных статей, нет
22. Логинов Дмитрий Константинович теоретическое моделирование, подготовка научных статей, нет
23. Григорьев Филипп Сергеевич-проведение экспериментальных исследований, подготовка научных статей, нет
24. Михайлов Андрей Валерьевич -проведение экспериментальных исследований, нет
25. Белов Павел Алексеевич-проведение теоретических расчетов, подготовка научных статей, нет
26. Коптева Наталия Евгеньевна-проведение экспериментальных исследований, подготовка научных статей, нет
27. Курдюбов Андрей Сергеевич-проведение экспериментальных исследований, подготовка научных статей, нет.
28. Соловьев Иван Александрович-проведение экспериментальных исследований, подготовка научных статей, нет
29. Храмцов Евгений Сергеевич-проведение теоретических расчетов, подготовка научных статей, нет
30. Литвяк Валентина Михайловна-проведение экспериментальных исследований, подготовка научных статей, нет
31. Бабенко Яна Александровна-проведение теоретического моделирования экспериментальных результатов, нет
32. .Фомин Алексей Андреевич- проведение экспериментальных исследований, нет
33. Евдокимов Артем Евгеньевич- проведение экспериментальных исследований, нет
34. Цуриков Давыд Евгеньевич проведение теоретического моделирования экспериментальных результатов, нет
35. Пахомов Константин Владимирович- проведение экспериментальных исследований, нет
36. Грибакин Борис Феликсович- проведение теоретического моделирования экспериментальных результатов, нет
37. Любомиров Алексей Дмитриевич- проведение экспериментальных исследований, нет
38. Батаев Матвей Николаевич- проведение экспериментальных исследований, нет
39. Шарипова Маргарита Маратовна- проведение экспериментальных исследований, нет
40. Козлов Вадим Олегович- проведение экспериментальных исследований, нет
41. Мурсалимов Дамир Фаилевич- проведение теоретического моделирования экспериментальных результатов, нет
42 Кондрашев Евгений Васильевич-техническая поддержка экспериментальных установок.
43. Игнатьев Никита Иванович- техническая поддержка экспериментальных установок.

Transfer of the full copy of the report to third parties for non-commercial use: permitted/not permitted

Не разрешается

Check of the report for improper borrowing in external sources (plagiarism): permitted/not permitted

не разрешается
Short titleGZ-2020
AcronymLab_2016 - 5
StatusFinished
Effective start/end date1/01/2031/12/20