В результате работы в 2025 году было опубликовано 27 научных статей, 23 из которых в научных журналах, индексируемых в международных базах научного цитирования (Web of Science Core Collection и (или) Scopus) и 4 входящих в ядро РИНЦ. Сотрудники Лаборатории представили свои результаты на международных и российских конференциях в качестве 4-ех приглашенных и 7-ти устных докладов, а также 14-ью стендовыми презентациями.

3. Заключение

В ходе выполнения работ Лабораторией Оптики Спина в 2025 были получены следующие основные результаты:

По направлению (1) «Спектроскопия поляритонов в гетероструктурах с микрорезонаторами» получены следующие научные результаты:

1) Была проведена существенная модернизация стандартной экспериментальной установки микрофотолюминечценции. Экспериментальные возможности экспериментальной установки были расширены для возможности исследования поляризации излучения экситон-поляритонного конденсата и ее зависимости от мощности и пространственной конфигурации нерезонансной лазерной накачки. Был модернизирован интерфереометр, собранный по схеме Маха-Цендера для измерения временной когерентности излучения.

2) В результате экспериментальных исследований было показано, что разность фаз между дипольными состояниями px и py ведет себя линейным образом, что является признаком квантовых биений между стационарными состояниями, а не влиянием нелинейных динамических процессов.

3) Проведено комплексное исследование, связывающее параметры накачки и состояние конденсата, и его поляризационные свойства.

4) В результате исследования получилось наблюдать «бестоковое» состояние конденсата, представляющее суперпозицию p-орбиталей, в отличие от состояний с циркулирующим током частиц (вихрем), которое реализуется в кольцевой оптической ловушке.

5) Была предложена новая гибридная платформа на основе жидкокристаллических микрорезонаторов, заполненных жидкими кристаллами (LC-микроезонаторов), со встроенными перовскитными экситонными слоями.

6) В результате моделирования была продемонстрирована возможность кодирования полутоновых изображений в пространственное распределение интенсивности поляритонов.

7) Было теоретически исследовано и численно продемонстрировано, что поляритонная бинаризованная нейроморфная сеть, основанная на основе решётки поляритонных диад, может эффективно решать сложные задачи классификации изображений благодаря структурной нелинейности, даже когда отдельные нейроны реализуют линейные логические функции (NAND, NOR).

8) Было показано, что, варьируя параметры системы (расстояние между конденсатами, интенсивность накачки, геометрию потенциала), можно настроить диаду на реализацию различных бинарных логических функций

9) Был предложен и численно продемонстрирован метод управления, который позволяет с помощью регулировки параметров оптической накачки осуществлять переходы между не-𝒫𝒯-симметричными и почти-𝒫𝒯-симметричными (near-𝒫𝒯-symmetric) стационарными состояниями в поляритонных конденсатах.

10) Было проведено теоретическое исследование квантовой статистики и корреляционных свойств двух спиновых компонент (σ = ±1) в поляритонном конденсате в процессе его формирования после импульсной некогерентной накачки.

11) Была показана возможность независимого управления пространственным распределением трёх линейно поляризованных поляритонных мод в микрорезонаторной структуре, переключаемых изменения угла θ, путём оптимизации стационарных потенциалов для них. Для каждой моды удалось получить пространственное распределение в плоскости резонатора, воспроизводящее целевое изображение.

12) Была создана двухканальная оптическая схема, а выходы однофотонных детекторов подключались к счетчику совпадений. Была измерена функция пространственной и временной когерентности для поляритонных конденсатов с различным значением орбитального углового момента. Было проведено сравнение экспериментальных результатов с теоретическими расчетами функции пространственной и временной когерентности.

По направлению (2) «Развитие технологии молекулярной пучковой эпитаксии и оптические исследования экситонов в полупроводниковых структурах с квантовыми ямами и микрорезонаторами» получены следующие научные результаты:

1) Был смоделирован и выращен образец Т953 с квантовой ямой, помещенный в микрорезонатор в режиме трехстадийного роста (трехдневного).

2) Экспериментально было измерено значение расщепления Раби, которое составило 7.5мэВ.

3) Был смоделирован и выращен микрорезонатор Т962, содержащий 12 КЯ GaAs толщиной 14 нм, 35 и 30 пар слоев в зеркалах. Рост происходил с вращением образца, что позволило добиться высокой пространственной однородности микрорезонатора.

4) Была развита модель оптического отклика для микрорезонаторов с квантовыми ямами, что позволило проводить более тщательный анализ выращенных структур и проектирования дизайна новых.

5) С помощью АСМ было показано, что структура с РБО на основе тройного раствора AlGaAs (T864) обладает на порядок большей шероховатостью поверхности по сравнению со структурой с РБО на основе короткопериодных сверхрешёток (T888).

6) Методом модифицированной методики измерения микрофотолюминесценции была зарегистрирована рекордная как для нашей лаборатории, так и для всей России, добротность планарного микрорезонатора в 54 000. Был продемонстрирован режим поляритонной лазерной генерации при достижении пороговой плотности мощности Pth = 200 Вт/см2. Наблюдаются резкий рост интенсивности ФЛ и значительное сужение поляритонной моды.

7) Были выполнены точные численные расчеты дисперсии экситона в широких квантовых ямах GaAs/AlGaAs. Показано, что для тяжелого экситона в GaAs непараболичность дисперсии должна заметно проявляться в интервале 4 meV выше основного оптического перехода.

8) Построена точная модель, учитывающая непараболичность дисперсии экситона, которая позволила точно определить ширину квантовой ямы при моделировании спектров. Было исследовано влияние на энергию экситона и светоэкситонное взаимодействие эффективного электрического поля, возникающего при «гигантском» магнито-Штарк эффекте для квантвой ямы GaAs/AlGaAs.

9) Была построена микроскопическая теория, в рамках которой вычислены энергии и волновые функции экситона в магнитном поле в геометрии Фогта.

10) Продемонстрирована возможность управления размером КТ CdS (2.0–5.5 нм) в ФФС стекле. Было показано, что при комнатной температуре наблюдается только широкая полоса ловушечной люминесценции (500–750 нм) с квантовым выходом (КВ) 20–70%. Экспериментально обнаружено, что межзонная люминесценция проявляется только при низких температурах (10 K) или высоких плотностях мощности накачки. Впервые была зарегистрирована и исследована апконверсионная ФЛ при двухфотонном возбуждении.

11) Было проведено теоретическое описание экситонов в квантовой яме в электрических полях.В рамках теории поведения экситона в квантовой яме в электрических полях, были проведены расчёты констант прямого и обменного экситон-экситонного взаимодействия.

По направлению (3) «Исследование взаимодействия ядерной спиновой системы со спинами носителей заряда в полупроводниковых структурах» получены следующие научные результаты:

1) Был проведён теоретическое исследование процесса динамической ядерной поляризации ядер в галогеносвинцовых перовскитах объёмного кристалла FAPbI3. Было определено, что главным образом поляризация от носителя будет передаваться ядрам свинца и галогена.Были получены тензоры сверхтонкого взаимодействия для этих ядер в объёмном кристалле FAPbI3. Обнаружено, что взаимодействие носителей с ядрами свинца изотропно, взаимодействие с ядрами галогена анизотропно и различается для ядер, расположенных в разных узлах решётки.

2) Построена модель, позволяющая определить величины поля Оверхаузера в линейном по спину носителей приближении при произвольном направлении внешнего магнитного поля и спина носителей.Были рассчитаны локальные поля, создаваемые на ядрах свинца и галогена в галогеносвицовых перовскитах объёмного кристалла FAPbI3.

3) Были рассчитаны статические магнитные поля, которые могут создаваться ядрами галогена на ядрах свинца в нулевом магнитном поле при циркулярно-поляризованной накачке за счёт прямого диполь-дипольного взаимодействия. Было обнаружено, что резонансное охлаждение спинов ядер свинца в MAPbI3 происходит за счет их взаимодействия с фотовозбужденными дырками.

4) Для образца GaAs:Mn с помощью методики по спектроскопии отогрева ядерных спинов были измерены спектры поглощения мощности переменного магнитного поля оптически охлажденной ЯСС. Были получены спектры отогрева в нулевом, а также во внешних статических магнитных полях порядка 30 Гс. Были получены спектры в продольном и в поперечном статических магнитных полях на длине волны детектирования сигнала ФЛ связанной с межзонными переходами (816 нм). Установлено, что сдвиги резонансных пиков поглощения при смене знака ядерной спиновой температуры, вызваны влиянием поля Найта. Из сдвигов пиков поглощения были определены величины полей Найта для изотопов GaAs:Mn.

5) Был проведён теоретический анализ времени ядерной спиновой релаксации в p-GaAs:Mn за счёт сверхтонкого взаимодействия, взаимодействия со спинами глубоких акцепторов Mn, квадрупольного взаимодействия, спиновой диффузии. Было установлено, что в темноте основным механизмом релаксации является квадрупольный механизм. Были определены основные механизмы спиновой релаксации на свету. В сильных магнитных полях, распад ядерной поляризации в основном определяется спиновой диффузией к донорам или центрам Mn. В слабых магнитных полях основным механизмом релаксации становится квадрупольный механизм.

6) Получены величины ядерных локальных полей для положительной и отрицательной ядерной спиновой температуры.

По направлению (4) «Спектроскопия спиновых шумов» получены следующие научные результаты:

1) Было определено время поперечной релаксации T2 для образца с микрорезонатором Т971, которое составило 26 нс.

2) Была развита техника оптически стимулированного ядерного магнитного резонанса. При помощи развитой техники были измерены частоты ЯМР трех изотопов, содержащихся в кристаллической структуре GaAs, а именно 71Ga, 69Ga, 75As.

3) Для кристалла вольфрамата кальция (CaWO₄), активированного трёхзарядными ионами неодима (Nd³⁺) в спектре спинового шума был достоверно охарактеризован пик, связанный со спиновым шумом, возбуждённого состояния.

4) Были определены компоненты g-тензора для иона неодима в матрице вольфрамата кальция в мультиплете 4F3/2 для нижнего подуровня (11421 обратных см), которые равны g∥ = 0.2846; g⊥= 0.8322.

5) Для монокристалла вольфрамата стронция в спектре спинового шума, был идентифицирован четкий резонанс вблизи нулевого магнитного поля, соответствующий константе сверхтонкого взаимодействия величиной 390 МГц.

6) Был обнаружен эффект, который заключался в проявлении структурных флуктуаций аморфной матрицы в шумах линейного дихроизма. Был обнаружен эффект флуктуации линейного дихроизма для образца стеклянной матрице с нанокристаллами CsPbI3.

7) Был наблюден эффект вращение плоскости поляризации на парах цезия в ячейке без буферного газа.

8) В рамках модели одетого атома была построена теория линейного отклика на поляризационную, частотную и интенсивностную модуляцию зондирующего резонансного оптического пучка.

9) Был разработан новый подход, который позволяет достигать глубокой модуляции амплитуды оптического луча и плавно перестраивать частоту отстройки Δω, которая может достигать десятков ТГц.

10) Получена зависимость кривых флуктуаций вращения плоскости поляризации и эллиптичности от состояния поляризации накачки для образца с квантовой ямой, помещенной в микрорезонатор. Данная зависимость свидетельствует о наличии эффекта спиновой памяти.

11) Была развита теоретическая модель для описания поляризационной зависимости поглощения паров цезия в спектральной области D1 линии в малых магнитных полях. В рамках предложенной теории также удалось объяснить отсутствие ориентационной зависимости поглощения на переходе F=3 à F'=4 (изотропный переход) и количественно описать эту зависимость на остальных переходах D1 линии цезия.

По направлению (5) «Химическая технология создания перовскитных нанокристаллов в стеклянных матрицах и исследование их оптических свойств» получены следующие научные результаты:

1) Была оптимизирована технология создания перовскитных НК CsPb(Cl,Br)3 и выращена серия образцов с перовскитными НК CsPb(Cl,Br)3, с различным содержанием Cl. Была проведена структурная и оптическая характеризация структур. Была построена универсальная зависимость для определения концентрации Cl по анализу дифрактограммам. В широком температурной диапазоне были измерены спектры фотолюминесценции для перовскитных НК CsPb(Br,Cl) ₃, CsPbBr₃ и CsPbI₃.

2) Из анализа температурных зависимостей интегральной интенсивности ФЛ были получены энергии активации тушения ФЛ для перовскитных НК. Была предложена модель для описания энергий активации.

3) Была построена модель неэкспоненциальной кинетики люминесценции для нанокристаллов CSPbBr3. Было установлено, что дефектные поверхностные состояния, за счет наличия которых, формируется длинная кинетика ФЛ, привязаны к матрице стекла.

4) Были измерены спектры ФЛ при двухфотонном оптическом возбуждении для перовскитных НК CsPb(Br,Cl) ₃, CsPbBr₃ и CsPbI₃. Был доказан двухфтонный механизм поглощения. Был определен коэффициент двухфотонного поглощения.

5) Были измерены спеткры возбуждения ФЛ при однофтонном и двухфотонном возбуждении для перовскитных НК CsPb(Br,Cl) ₃, CsPbBr₃ и CsPbI₃.Было обнаружено, что в спектре появляется дополнительная особенность в спектре ФЛ ниже по энергии, а интенсивность фотолюминесценции падает после дополнительного облучения фотонами с большей энергией.

6) Продемонстрирована возможность двухфотонного возбуждения при непрерывной оптической накачке.

7) Было проведено теоретическое и экспериментальное исследование спектра электронных состояний в перовскитных нанокристаллах CsPbBr3 и CsPbI3. Была построена зависимость энергий квантово- размерных уровней от радиуса НК. Сравнение теории с экспериментом позволило определить средние размеры изучаемых НК. Была построена модель описания спектров ФЛ с учетом эффекта размерного квантования экситона.

8) Было продемонстрировано, что при резонансном двухфотонном возбуждении в основное состояние, соответствующее энергии детектирования, сигнал фотолюминесценции практически отсутствует, поскольку переход между основными состояниями электрона и дырки при поглощении двух фотонов оказывается запрещен.

9) Был разработан метод обратимой трехмерной лазерной записи нанокристаллов перовскита CsPbBr₃ внутри прозрачной матрицы фторфосфатного стекла с использованием фемтосекундного лазера. Показано, что фемтосекундный лазер инициирует in situ формирование НК размером ~4 нм, а последующий низкотемпературный отжиг вызывает их рост до 10–12 нм и появление интенсивной люминесценции. Оптические свойства записанных структур зависят от параметров лазера (скорости, энергии, частоты), что позволяет управлять размером НК и положением пика люминесценции. Также предложен механизм стирания, основанный на лазерно-индуцированном образовании тушащих дефектов, а не на разрушении НК, что обеспечивает высокую повторяемость циклов перезаписи. Продемонстрирована долговременная стабильности записанной информации и ее высокая плотность.

10) Методом время разрешенной эллиптичности Фарадея измерены g-фактора электронов и дырок в НК CsPbI₃ в стекле в широком диапазоне размеров (4–16 нм). Показано, что g-фактор электрона демонстрирует сильную перестройку, хорошо описываемую теоретическими моделями, учитывающими смешивание зон в условиях квантового удержания. При этом g-фактор дырки также подвержен сильной перестройке, но его зависимость от размера НК значительно превышает предсказания теории.

11) Обнаружен эффект компенсации, сильные изменения gₑ и gh взаимно компенсируются, что приводит к постоянству g-фактора излучающего экситона (gBX ≈ +2.2) во всем диапазоне размеров НК.

12) Экспериментально обнаружены ограниченные акустические фононы в НК CsPbI3, внедренных в стеклянную матрицу. Показано, что их энергии лежат в диапазоне 0.5–2.0 мэВ и закономерно увеличиваются с уменьшением размера НК. Разработана теоретическая модель, которая учитывает упругие свойства CsPbI₃, размер НК и, что наиболее важно, их форму (сфера, сфероид, куб). Установлена форма нанокристаллов, путем сопоставления экспериментальных спектров КР с результатами моделирования сделан вывод, что исследуемые НК CsPbI3 имеют преимущественно сферическую или сфероидальную форму.

13) Была построена эмпирическая модель, описывающая дисперсионные зависимости носителей заряда в CsPbI3.

По направлению (6) «Когерентная, оптическая и спиновая динамика в полупроводниковых структурах» получены следующие научные результаты:

1) Были изучены когерентные оптические и спиновые свойства перовскитных нанокристаллов CsPbI3 и CsPbBr3 в стеклянной матрице. Было получено рекордно длинное время оптической когерентности и определены температурные механизмы дефазировки, связанные с акустическими и низкоэнергетическими оптическими фононами.

2) С помощью поляриметрии фотонного эха определена тонкая структура экситонных уровней, включая экситон-поляронные состояния и расщепление светлого экситонного триплета.

3) В образцах CsPbBr₃ обнаружен новый спин-зависимый сигнал «псевдо» фотонного эха, обусловленный динамикой конверсии светлых и тёмных нанокристаллов, чувствительный к поляризации света и слабым магнитным полям.