В ходе выполнения работ по 1-му этапу проекта были получены следующие основные результаты:
По направлению (1) «Спектроскопия поляритонов в гетероструктурах с микрорезонаторами» получены следующие научные результаты.
1. Было экспериментально продемонстрировано, что небольшое (субмикронное) смещение пятна оптической накачки от центра пиллара не влияет на форму поляритонного конденсата, но оказывает существенное влияние на его токовые состояния.в полупроводниковом микрорезонаторе на основе AlGaAs в форме цилиндрического пиллара.
2. Методом численного моделирования была построена математическая модель поляритонной системы качественно согласующаяся с экспериментальными результатами п.1
3. В двухкольцевом поляритонном конденсате продемонстрирована возможность управления состоянием экситон поляритонного конденсата.
4. Были определены наилучший радиус ловушки и возможный диапазон мощности лазера, необходимые для формирования моды конденсата в виде одного кольца.
5. Контролируемым образом был экспериментально получен конденсат экситонных поляритонов с различными угловыми орбитальными моментами в зависимости от наличия или отсутствия контрольного импульса и его положения.
6. Было произведено теоретическое моделирование поведения поляритонного конденсата в оптически индуцированной кольцевой ловушке.
7. Был сделан статистический анализ поляризации излучения конденсата, демонстрирующий стохастическую природу переключения этой поляризации от импульса к импульсу.
8. Было экспериментально показано, что вплоть до высокой температуры, можно создать изолированный конденсат в оптической ловушке, не подверженный внешним воздействиям, нарушающим спиновую поляризацию.
9. Был разработан теоретический подход для контролируемого возбуждения таммовских поляритонных состояний в структурах сложной топологии.
По направлению (2) «Электронно-ядерная спиновая динамика в объемных полупроводниках и наноструктурах» получены следующие научные результаты.
1. Были экспериментально измерены времена электронной спиновой релаксации в объемных слоях InGaAs, которые достигли рекордного значения T_s∼1 мксек.
2. Был экспериментально обнаружен сложный характер динамики ядерной спиновой релаксации, описывающейся трехэкспоненциальным процессом, описывающим релаксацию ядерной спиновой поляризации под донором, происходящую на временах порядка 10 сек, а также сложный процесс спиновой диффузии в присутствии сильного квадрупольного взаимодействия, характеризующегося величинами локальных полей B_L=20 мТл и D=1.1×〖10〗^(-13) см2/сек.
3. Были проведены теоретические расчеты скорости спин-решеточной релаксации ядер в квантовых ямах на основе теллурида кадмия, учитывающие релаксацию ядерных спинов за счет взаимодействия с двумерным электронным газом в присутствии ядерной спиновой диффузии.
4. Были экспериментально измерены спектры поглощения охлажденных ядерных спинов в нулевом магнитном полу для структур GaAs с разной степенью легирования.
5. Было продемонстрировано, что спектр поглощения в нулевом магнитном поле отражает пространственную неоднородность квадрупольного взаимодействия, спектры коррелятора состоят из двух контуров и их частотная форма не зависит от концентрации доноров.
6. Было экспериментально измерено и проведен расчет величины локального поля для образца с концентрацией донорной примеси n_d= 1.2*1016 см-3., которое составило 1 Гс.
7. Впервые было экспериментально измерено время продольной спиновой релаксации T1 в структурах НК перовскита CsPb(Br,Cl)3, помещенных в стеклянную матрицу, время составило 60 мкс, что на 3 порядка больше, чем измеренное в других перовскитных НК.
По направлению (3) «Спектроскопия спиновых шумов» получены следующие научные результаты.
1. Был проведен цикл исследований по выявлению инвариантов спектров магнитного резонанса и спектров спиновых шумов в кристаллах с анизотропными центрами.
2. Было экспериментально и теоретически доказана применимость методики спиновых шумов (шумов фарадеевского вращения (ФВ)) к оптически анизотропным средам.
3. Были развиты экспериментальные и теоретические исследования стимулированной, или активной спектроскопии спиновых шумов.
4. Было экспериментально продемонстрирована применимость техники активной спектроскопии спинового шума фактически ко всем типам объектов классической шумовой спектроскопии — системам с существенно разным «происхождением» спинов, в том числе кристаллам с редкоземельными ионами (на примере CaF2:Nd3+), легированным полупроводникам (на примере GaAs), атомов щелочного металла (на примере Cs).
По направлению (4) «Экситонная спектроскопия» получены следующие научные результаты.
1. Было экспериментально и теоретически выполнено исследование соотношения величин радиационного затухания тяжелых (Xhh) и легких (Xlh) экситонов в квантовых ямах GaAs/AlGaAs различной ширины от 20 до 55 нм.
2. Были проведены экспериментальные исследования и теоретический анализ динамики экситонов в неизлучающем резервуаре в гетероструктуре с одиночной квантовой ямой GaAs/AlGaAs шириной L = 14 nm.
3. Было проведено экспериментальное исследование спектров отражения одиночной квантовой ямы GaAs/AlGaAs в электрическом поле при резонансном оптическом возбуждении.
4. Было проведено экспериментальное исследование и теоретическое моделирование гетероструктур GaAs/AlGaAs с микрорезонатором.
5. Были проведены теоретические расчеты ширины уровней и величины энергетических сдвигов резонансных состояний примесного электрона в квантовых ямах с бесконечными барьерами.
6. Было проанализировано влияние толщины пластины GaAs на энергию экситона во внешнем электрическом поле.
7. Были экспериментально исследованы оптические свойства нового класса материалов НК перовскита в стеклянной матрице.
8. Был экспериментально наблюден эффект антистоксовой фотолюминесценции в НК перовскита CsPbBr3.
9. Была экспериментально измерена длинная (микросекундная) кинетика люминесценции в НК перовскита CsPbBr3.
10. Были экспериментально наблюдены и теоретически смоделированы линии фононных повторений в перовскитных нанокристаллах на основе галогенидов Br.
11. Было экспериментально исследовано влияние ионов кадмия на рост нанокристаллов CsPbxCd1-xBr3 во фторофосфатном стекле.
12. Впервые была экспериментально исследована температурная зависимость фотолюминесценции нанокристаллов полупроводникового перовскита CsPbBr3 во фторофосфатном стекле в диапазоне температур от 300 до 423 К.
По направлению (5) «Четырехволновое смешение и фотонное эхо» получены следующие научные результаты.
1. Было экспериментально показано, что в ансамблях одиночно заряженных InGaAs квантовых точек при помощи протоколов спин-зависимого фотонного эха оказывается возможным расширить время сохранения когерентности путем переноса оптической когерентности в спиновую подсистему.
2. Был развита теоретическая модель, которая расширила имеющеюся до этого, за счет учета не нулевого g фактора дырки и процессов спиновой релаксации дырок.
3. Было продемонстрировано и проведен анализ влияния ядерных спиновых флуктуаций на когерентный оптический отклик.
4. Было показано, что ядерные спиновые флуктуации могут приводить к возникновению дополнительного оптического когерентного отклика, даже при нулевом внешнем магнитном поле.
5. При помощи методов спектроскопии двухимпульсного фотонного эха были определены основные характеристики экситоного и биэкситонного резонансов в объемном кристалле перовскита MAPbI3.
6. Были определены времена их необратимой фазовой релаксации (0.8 пс и 0.67 пс), а также энергия связи биэкситона, EBiX = 2.4 мэВ.
По направлению (6) «Спиновая динамика в полупроводниковых наноструктурах» получены следующие научные результаты.
1. Была экспериментально изучена долгоживущая динамика спинов резидентных дырок в нанокристаллах перовскита галогенида свинца CsPb(Cl0.5Br0.5)3 в стеклянной матрице.
2. Был экспериментально обнаружен новый вид магнитного полярона, образованный положительно заряженным трионом.
3. Была экспериментально исследована динамика радиационного уширения экситонов с легкой и тяжелой дырками в 14-нм квантовой яме GaAs/AlGaAs при их когерентном возбуждении.
4. Была определена структура уровней системы легкого и тяжелого экситонов в квантовой яме GaAs/AlGaAs с помощью теоретического моделирования экспериментальных данных.
По направлению (7) «Магнитная ориентация птиц» получены следующие научные результаты.
1.Были проведены исследования физического механизма чувствительности магнитного компаса птиц – дальних мигрантов к высокочастотным магнитным шумам и ее возможной адаптивной роли для ориентации при перелетах в зонах тропической грозовой активности.
2. Было экспериментально определен порог чувствительности магнитного компаса дальнего африканского мигранта – мухоловки-пеструшки – к переменным магнитным полям в частотном диапазоне 1.4МГц.
3. Были проведены исследования физических ограничений на чувствительность и точность магниторецепторов на основе нанокристаллов магнетита в компасных и навигационных системах позвоночных животных.
4. Была рассчитана спектральная плотность шумов волосковых клеток внутреннего уха позвоночных и их отклик на силы, порождаемые крутящим моментом, возникающим при воздействии геомагнитного поля на цепочки нанокристалов магнетита, встроенные в пучки стереоцилий.
В рамках проекта опубликовано 20 научных статей и 7 статей в сборниках трудов конференций индексируемых в РИНЦ. Из 20 статей, описывающих результаты работ по 1 этапу, 10 статей, опубликованные в журналах квартили Q1.
Результаты исследований были представлены на международных и российских конференциях в качестве 3-х приглашенных и 9-ти устных докладов, а также 10-ью стендовых презентаций.
Значения показателей результативности, заявленные для отчетного этапа работ, достигнуты.
Таким образом, можно заключить, что 1 этап выполнения проекта по теме «Исследования оптических и спиновых свойств поляритонов, экситонов и носителей заряда в полупроводниковых структурах» выполнен полностью и в срок.
Научные исследования поддержаны СПбГУ в рамках проекта 91182694, а также финансированием из 12 грантов, в том числе 5 грантов РФФИ, 4 гранта РНФ, грант Базис, стипендия Вернадского и Договор на НИОКР по ДК РОСАТОМ (список грантов прилагается).