В результате работы в 2024 году было опубликовано 28 научных статей, 24 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. Также была опубликована глава в книге. Сотрудники Лаборатории представили свои результаты на международных и российских конференциях в качестве 9-ти устных докладов, а также 5-ью стендовыми презентациями.
3. Заключение
В ходе выполнения работ Лабораторией Оптики Спина в 2024 были получены следующие основные результаты:
По направлению (1) «Спектроскопия поляритонов в гетероструктурах с микрорезонаторами» получены следующие научные результаты.
1) Экспериментально продемонстрирована возможность возбуждения концентрических кольцевых конденсатов экситон-поляритонов в цилиндрических микропилларах под действием пространственно-локализованной нерезонансной оптической накачки, в которых возникает пара азимутальных поляритонных токов, направленных в противоположные стороны.
2) В рамках численного моделирования изучена динамика поляритонных состояний, формирующихся в системе с вращающимся локализующим потенциалом, при различных скоростях его вращения.
3) Изучен характер зависимости плотности распределения поляритонов в левой и правой циркулярных поляризациях. Выявлена зависимость от угловой скорости вращения потенциала.
4) Обнаружены два основных режима динамики поляритонного конденсата: стационарный и бризерный.
5) Было теоретически описано явление дрожащего движения (циттербевегунг) таммовских поляритонных состояний в резонансной оптической структуре, сформированной из двух многослойных подструктур SiO2/CdTe.
6) Было показано влияние внешнего магнитного поля на характеристики и степени выраженности дрожащего движения и продемонстрирована возможность управления периодом и амплитудой осцилляций траектории таммовских поляритонов при помощи внешнего магнитного поля.
7) Была показана схема для достижения клонирования темных солитонов в нерезонансном, некогерентно накачиваемом экситон-поляритонном конденсате.
8) Был предложен метод для генерации и управления клонированием солитонов, открывая альтернативный подход для поиска динамически устойчивых решений в неравновесных системах.
9) Была показана реализация излучения экситон-поляритонных конденсатов с ненулевым орбитальным моментом, заключенных в оптической ловушке, и продемонстрировано стохастическое переключение постоянных кольцевых поляритонных токов при импульсно-периодическом возбуждении.
10) Был теоретически описан набор универсальных однокубитных вентилей, приводящих к контролируемому сдвигу вектора Блоха с помощью вспомогательного лазерного луча. Были рассмотрены механизмы взаимодействия между двумя соседними ловушками, которые позволяют проектировать двухкубитные операции, такие как вентили CPHASE и CNOT.
По направлению (2) «Спектроскопия спиновых шумов» получены следующие научные результаты.
1) Было показано, что в шумах линейного двулучепреломления, которые существенным образом усиливаются в области оптических переходов с малой однородной шириной, проявляется специфическая динамика структурного движения разупорядоченной среды.
2) В диэлектрических кристаллах вольфрамата кальция (CaWO4), активированные трёхзарядными ионами неодима (Nd3+) были измерены спектры спинового шума и показано, что различные резонансы соответствуют различным группам анизотропных центров, формируемых в кристалле вследствие компенсации избыточного заряда неодима при гетеровалентном замещении им иона Са2+.
3) Полученные спектры, во-первых, подтвердили предположение о малой ширине резонансов спинового шума в кристалле с низкой концентрацией примеси и, во-вторых, продемонстрировали сильную зависимость ширин резонансов от концентрации примеси.
4) Была исследована спектральная зависимость амплитуд сигналов выстраивания и ориентации в вакуумной кювете и в кювете с буферным газом при давлении 2 торр.
5) Было установлено, что при зондировании кюветы с насыщенными парами цезия линейно поляризованным светом с частотой, близкой к частоте резонанса среды, угол плоскости поляризации отклонялся в присутствии поперечного магнитного поля, что указывает на эффект самоиндуцированного вращения плоскости поляризации света.
6) Была получена зависимость величины поворота плоскости поляризации от азимута плоскости поляризации входящего света, сопоставленная с соответствующей величиной пропускания среды.
7) Впервые был продемонстрирован эффект Фарадея впервые в гибридном органико-неорганическом галогенидном перовските MAPbI3 (MA+ = CH3NH+3).
8) было обнаружено, что вращение Фарадея сильно подавлено ниже температуры фазового перехода из-за анизотропии (линейного двупреломления) тетрагональной кристаллической фазы. Ситуация резко меняется выше температуры фазового перехода, когда кристалл становится оптически изотропным.
9) Была наблюдена константа Верде для кристаллов MAPbI3 и определено, что вблизи края поглощения она достигает 30 рад/Тл⋅м.
По направлению (3) «Экситоны в полупроводниковых гетероструктурах» получены следующие научные результаты.
1) Были решены проблемы технологии выращивания микрорезонаторов высоко качества. Подавление интенсивности примесных полос поглощения, возникающими, в том числе, из-за фоновой примеси углерода. Увеличение квантового выхода ФЛ из квантовых ям за счет согласования энергии фотонов накачки и резонанса барьерного экситона. Была отработана методика технологических пауз при росте больших структур за несколько рабочих дней.
2) Был выращен микрорезонатор Т937 с рекордной добротностью за два ростовых дня. Добротностью образца составила 6700, что является рекордом для структур, выращенных в РЦ Нанофотоника СПбГУ.
3) Были теоретически и экспериментально исследованы параметры экситонных резонансов в одиночной КЯ GaAs/AlGaAs шириной 30 нм, для изучения экситонных состояний в КЯ при приложении к гетероструктуре электрического напряжения.
4) Было обнаружено, что при дополнительном возбуждении излучением небольшой мощности с энергией фотонов ниже энергии экситонных переходов в квантовой яме наблюдается нелинейный сдвиг и уширение экситонных резонансов.
5) Обнаружено сильное влияние электрического поля на второе размерно-квантованное состояние тяжелого экситона, которое в отсутствии поля не наблюдается.
6) Для интерпретации эффектов, наблюдаемых в электрическом поле, выполнен микроскопический расчет экситонных состояний в КЯ в различных электрических полях. Сопоставление экспериментальных данных с теоретическим расчетом позволило получить самосогласованный метод определения электрического поля в слое КЯ.
7) Для изучения поведения экситонов во внешнем электрическом поле предложена микроскопическая модель гетероструктуры с квантовой ямой (КЯ) 𝐺𝑎𝐴s/Al𝐺𝑎As.
8) Было численно решено трехмерное уравнение Шредингера для экситона с использованием метода конечных разностей. Рассчитаны волновые функции и энергии для нескольких состояний тяжелых и легких экситонов и изучено их поведение в электрическом поле.
9) Были определены зависимости энергии экситонных состояний, энергии связи, радиационного уширения и статического дипольного момента от величины приложенного электрического поля. Определен порог диссоциации экситонов для квантовой ямы шириной 100 нм. Наконец, мы обнаружили вызванное электрическим полем смещение центра тяжести экситонов с тяжелыми и легкими дырками.
10) Проведены исследования динамики экситонов в квантовой яме GaAs/AlGaAs шириной 30 нм во внешних электрических полях. Обнаружена нелинейность энергетического сдвига при небольших мощностях накачки. Обнаружено нетривиальная динамика сдвига резонанса тяжелого экситона при положительном напряжении, приложенном к ITO контакту на поверхности образца.
11) Было обнаружено, что экситонная динамика в КЯ CdTe/Cd0.95Zn0.05Te очень хорошо феноменологически описывается суммой двух затухающих экспонент, «быстрой» с временами затухания порядка 0.4 нс и «медленной» с временами затухания порядка 3 нс. Сделан вывод, что за быструю компоненту динамики отвечает рассеяние экситонов на свободных носителях, которые имеют меньшее время жизни в образце, а за медленную компоненту — рассеяние на резервуаре темных экситонов с большими волновыми векторами, которые имеют времена жизни в несколько нс.
12) Была предложена микроскопическая модель для описания гигантского магнито-Штарк эффекта, которая не содержит подгоночных параметров. Полученные в рамках этой модели численные результаты расчета с хорошей точность описывают экспериментальные результаты, опубликованные ранее в работе [8] для гетероструктуры с широкой квантовой ямой GaAs/AlGaAs в магнитном поле.
По направлению (4) «Когерентная оптическая и спиновая динамика» получены следующие научные результаты.
1) Была изучена модель взаимодействия электромагнитного излучения с веществом на примере действия поляризованных лазерных импульсов разной формы (прямоугольного и гладкого (импульс Розена – Зенера)) на трехуровневую систему.
2) Было получено решение для нерезонансного возбуждения светом системы с вырожденными возбужденными энергетическими состояниями.
3) Была проанализирована зависимость вероятности нахождения системы в определенном состоянии от величин отстройки частоты и площади импульса. Полученные аналитические выражения были применены при моделировании сигнала двухимпульсного фотонного эха от ансамбля трехуровневых систем.
4) Получены временные профили сигнала эха для протоколов возбуждения импульсами разной поляризации и разной мощности. Проведено сравнение результатов в режиме больших интенсивностей возбуждения – в режиме Раби осцилляций.
5) Была изучена роль сверхтонкого взаимодействия между ядрами и резидентными электронами в формировании трехимпульсного спин-зависимого фотонного эха от самоорганизованных полупроводниковых квантовых точек (In,Ga)As.
6) Было показано, что сверхтонкое взаимодействие между ядерными спинами и резидентными электронами в квантовых точках приводит к формированию долгоживущего когерентного оптического отклика на трионном переходе в отсутствие внешнего магнитного поля.
7) Разработана теория спин-зависимого фотонного эха для случая произвольно ориентированных магнитных полей и показано, что флуктуации ядерной спиновой системы, направленные в плоскости образца, приводят к осциллирующему поведению, тогда как внеплоскостные флуктуации не вносят вклад в сигнал трехимпульсного фотонного эха.
8) Была получена оценка величины эффективного поля ядерных спиновых флуктуаций, которая составила 6,4 мТл. Кроме того, обнаружен слабый неосциллирующий долгоживущий сигнал, обусловленный релаксацией спина дырки на временах Tsh 5 нс.
По направлению (5) «Ядерная спиновая динамика в полупроводниковых структурах» получены следующие научные результаты.
1) Была построена теория спиновой релаксации носителей в режиме промежуточных времен корреляции, т.е. в условиях, когда среднее время пребывания носителя на центре локализации превышает период прецессии его спина в поле ядерной спиновой флуктуации, но может быть меньше времени жизни носителя.
2) Было проведено сопоставление теории с экспериментальными данными, что позволило определить среднеквадратичные магнитные поля ядерных спиновых флуктуаций, действующих на локализованные электроны (2.5 мТл) и дырки (9.5 мТл).
3) Сопоставление экспериментально измеренной временной зависимости поляризации фотолюминесценции при возбуждении импульсами циркулярно поляризованного света с теоерией позволило оценить время корреляции спина локализованных носителей нс.
4) Для объемного слоя n-GaAs было получено, что с ростом величины квадрупольного взаимодействия время ядерной спин-решеточной релаксации T_1 увеличивается.
5) Было получено, что для КЯ CdTe/CdZnTe время T_1 удлиняется с увеличением времени охлаждения, т.е. с понижением ядерной спиновой температуры. Установлено, что с ростом времени охлаждения (начиная примерно со 100 секунд) возникает быстрая компонента ядерной спин-решеточной релаксации T_01~2 s.
6) Для n-GaAs было получено, что время T_1 также как и для КЯ CdTe/CdZnTe удлиняется с увеличением времени оптического охлаждения. Однако быстрой компоненты релаксации не возникает. Было обнаружено, что для обеих структур T_1 растет с увеличением времени оптического охлаждения.
7) Было экспериментально установлено, что спектры отогрева для разных ориентаций OMF и плоскости образца имеют различные формы: интегральное поглощение не меняется, а наблюдаемые пики отогрева сливаются в один широкий пик для случая, когда OMF ∥ [110].
8) Было экспериментально установлено, что для деформированного n-GaAs наблюдается зависимость интенсивности поглощения мощности переменного магнитного поля при смене знака ядерной спиновой температуры. Из анализа измеренных спектров отогрева было получено, что при положительной спиновой температуре наблюдаются только пики, связанные с зеемановскими появляется дополнительная линия на частоте ≈ 33,4 кГц. Вероятнее всего она соответствует квадрупольному сателлиту 69Ga.
По направлению (6) «Оптические и спиновые явления в перовскитных нанокристаллах» получены следующие научные результаты.
1) Была выращена серия образцов с перовскитными НК CsPb(Cl,Br)3, помещёнными во фторфосфатную матрицу, с различным соотношением Br/Cl и размерами НК.
2) Была проведена оптическая характеризация серии образцов с перовскитными НК CsPb(Cl,Br)3, обнаружено смещение энергии максимума фотолюминесценции в красную область за счет уменьшения концентрации Cl.
3) Была выращена серия образцов с перовскитными НК CsPb1-xCdxBr3. Проведено систематическое исследование химико-аналитическими, рентгеновскими и оптическими методами.
4)Из анализа рентгенограмм было показано, что НК с ионами Cd2+ успешно формируются в матрице фторфосфатного стекла, что подтверждается смещением дифракционных пиков в сторону больших углов из-за изменения постоянной решетки.
5) Измерения низкотемпературной фотолюминесценции (ФЛ) для набора образцов с НК CsPb1-xCdxBr3 показывают высокоэнергетический сдвиг полосы экситонной ФЛ с ростом концентрации ионов Cd2+.
6) Кроме того, низкотемпературные спектры ФЛ содержат дополнительную широкую полосу в диапазоне 1,6 – 2,2 эВ. Показано, что эта полоса соответствует оптическим переходам в глубокие акцепторные состояния.
7) Было показано, что увеличение размера НК CsPbBr3 и CsPb(Cl,Br)3 приводит к более слабому неоднородному уширению линии ФЛ, соответствующей экситонам.
8) Обнаружено, что динамика ФЛ исследуемых НК при низких температурах (ниже 50 К) характеризуется тремя временными шкалами порядка 1 нс, 10 нс и 1 мкс соответственно.
9) Было показано, что перовскитные НК выращенные во фторфосфатном стекле демонстрируют нелинейные оптические свойства при двухфотонном возбуждении.
10) Было показало, что в спектрах резонансной ФЛ появляются узкие пики, связанные с фононными повторениями кристаллической решетки.
11) Показано, что во всех спектрах резонансной фотолюминесценции можно наблюдать высокочастотную фононную моду от 120 до 150 см-1 в зависимости от галогенида, входящего в состав исследуемого НК исследуемого стекла. Теоретическая часть исследования демонстрирует, что данная фононная мода соответствует антифазному смещению катионов и анионов кристаллической решетки.
12) Были измерены спектральные зависимости g-факторов электронов и дырок в НК CsPbI3, которые хорошо соответствуют модельным предсказаниям, учитывающим смешивание электронных зон с ростом энергии ограничения, что сопровождается уменьшением размера НК.
По направлению (7) «Магниторецепция у позвоночных животных» получены следующие научные результаты.
1) Было установлено, что в условиях естественного освещения при нормальном геомагнитном поле при отсутствии астроориентиров мухоловки-пеструшки показывали направление, соответствующее направлению их осенней миграции.
2) Было установлено, что в условиях переменного магнитного поля с амплитудой 44-50 нТл при несущей частоте 1.41 МГц птицы сохраняли способность к ориентации, а при приложении поля той же амплитуды с частотой 1.5МГц птицы не ориентировались.
3) Получены тестовые кривые временной зависимости интенсивности люминесценции красителя при изменении ориентации приложенного магнитного поля относительно плоскости препарата сетчатки.