По направлению (1) «Спектроскопия поляритонов в гетероструктурах с микрорезонаторами» получены следующие научные результаты.
1) Выявлены условия для возбуждения концентрических кольцевых конденсатов экситон-поляритонов в цилиндрических микропилларах под действием пространственно-локализованной нерезонансной оптической накачки. Показано, что манипулирование мнимой частью потенциала ловушки, ответственного за пространственное распределение конденсата, а также за баланс накачки конденсата и потерь поляритонов в микропилларе, позволяет селективно возбуждать состояния поляритонного конденсата, характеризуемые заданными радиальными квантовыми числами. На основе численного анализа предсказаны и экспериментально наблюдены азимутальные поляритонные токи в поляритонных конденсатах в форме концентрических колец.
2) Предсказана на основе численного моделирования и экспериментально подтверждена возможность возбуждения осцилляций завихрённости экситон-поляритонных конденсатов в эффективном кольцевом потенциале ловушки в условиях возбуждения пространственно-локализованной нерезонансной оптической накачкой в цилиндрическом микропилларе. Для обнаружения проявления осцилляций предложено использовать интерференционный метод, зарекомендовавший себя при наблюдении стационарных состояний. На основе численных экспериментов показано, что изменение эллиптичности пятна накачки может эффективно использоваться для управления периодом осцилляций.
3) Предложен подход к количественной оценке взаимодействия между экситонными поляритонами и тёмными экситонами в оптическом микрорезонаторе, основанный на анализе бистабильного поведения поляритонного конденсата. Для этой цели было применено комбинирование квазирезонансного возбуждения конденсата экситон-поляритонов и двухфотонного возбуждения резервуара тёмных экситонов. В экспериментах исследовалась специфическая зависимость фотолюминесценции поляритонного состояния от мощности непрерывной лазерной накачки при его взаимодействии с тёмными экситонами. Экспериментальные наблюдения были воспроизведены численно, включая сдвиг порогов бистабильности и уменьшение ширины петли бистабильности. На основе сравнения результатов экспериментальных наблюдений и численных моделирований была оценена константа взаимодействия поляритонов и тёмных экситонов как друг с другом, так и между собой.
4) Выполнено экспериментальное наблюдение баллистического распространения экситон-поляритонного конденсата в кольцевой волноводной структуре. Начальная скорость и направление распространения конденсата определяются положением области инжекции конденсата в кольце. Выполнено наблюдение формирования полигональных поляритонных паттернов в замкнутом волноводе. Показано, что бозе-конденсация играет ключевую роль в проявлении этого эффекта, поскольку она локализует частицы в одном энергетическом состоянии с общим характером баллистического распространения. Без этого частицы занимали бы непрерывный набор мод, неразличимых в интегрированном по времени режиме наблюдения. Продемонстрировано, что поляризация конденсата прецессирует вокруг центра кольца. Показано, что ключевую роль в контроле прецессии поляризации играет эффекти спин-орбитального взаимодействия.
5) Теоретически изучена динамика поляризации в кольцеобразном бозонном конденсате экситон-поляритонов, локализованном во вращающейся ловушке. Показано, что взаимодействие между вращением потенциала ловушки и расщеплением TE-TM мод поляритонов выступает в роли инструмента для управления спиновым состоянием и угловым моментом конденсата. Сформулированы правила отбора, описывающие связь псевдоспина и углового момента. Показано, что резонансная связь линейной и круговой поляризаций в присутствии вращения приводит к биениям поляризации. Этот эффект можно рассматривать как поляритонную аналогию электронного магнитного резонанса в присутствии постоянного и вращающегося магнитных полей.
6) Изучено поведение спинорных экситон-поляритонных конденсатов в кольцевой геометрии в условиях спонтанного нарушения симметрии и появления сверхтекучих поляритонных токов. Изучено влияние точечного дефекта в потенциале на уровни энергии и орбитальный угловой момент состояний конденсатов. Выявлены условия, при которых в присутствии нарушения симметрии возникают токовые состояния конденсата с циркулярной поляризацией, найдены критические пороговые плотности для спонтанного нарушения симметрии.
7) Разработана концепция магнитного монопольного экситон-поляритона, квазичастицы, аналогичной традиционному экситон-поляритону, которая чувствительна к магнитному отклику системы на частоте внешнего электромагнитного излучения. Изучен энергетический спектр магнитного монопольного экситона, и получены восприимчивость и дисперсионное соотношение монопольного поляритона.
8) была проведена модернизация конструкции криостата, используемого для характеризации микрорезонаторов. Модернизация проводилась с целью сделать возможным исследование полученных методом молекулярно-пучковой эпитаксии образцов целиком, не прибегая к их раскалыванию. Испытания новой конструкции показали, что она позволяет откачивать из криостата воздух до значений 5*10-6 мбар и достигать внутри криостата температуры 11 К. Был выращен образец с микрорезонатором и квантовой ямой. При мощности накачки порядка P=2 mW был продемонстрирован порог поляритонного лазера
По направлению (2) «Электронно-ядерная спиновая динамика в объемных полупроводниках и наноструктурах» получены следующие научные результаты.
Был разработан и изготовлен держатель для образцов, который встраивается в криостаты замкнутого цикла. Держатель сформирован таким образом, что он позволяет прикладывать контролируемые механические напряжения. Были проведены тестовые эксперименты, которые определили максимальное давление, которое можно приложить к структуре средней площади 1,5 мм2. Величина такого давления составила порядка 3кБар.
Была показана возможность с помощью методики спектроскопии отогрева достоверно измерять спектры ядерного спинового коррелятора. В частности, при достаточно высоких спиновых температурах мы получили, что вид спектра коррелятора объемного образца n-GaAs определяется квадрупольными и диполь-дипольным взаимодействиями. С помощью моделирования коррелятора для классических магнитных моментов в решетке GaAs нами установлено, что диполь-дипольное взаимодействие отвечает за высокочастотную часть спектра, а квадрупольное взаимодействие - за низкочастотной вклад. Такая интерпретация спектра коррелятора поможет нам при дальнейшем анализе спектров, измеренных при сверхнизких спиновых температурах, в которых мы ожидаем увидеть модификацию низкочастотной часть, связанную с переходом ЯСС в предполяронное состояние.
Были изучены основные термодинамические характеристики недеформированных объемных образцов n-GaAs с использованием методики спектроскопии отогрева. Были исследованы влияние различных параметров эксперимента, таких как длина волны детектирования, мощность оптической накачки, время оптического охлаждения на величину ядерной спиновой температуры. Было получено, что в основном к значительному понижению спиновой температуры приводит увеличение времени оптического охлаждения. Однако, начиная с времен порядка 2000 секунд, спиновая температура перестает понижаться. Важным результатом является измерение величины локального поля прямым методом адиабатического размагничивания. Было экспериментально показано и подтверждено теоретическими расчетами, что в недеформированном объемном образце n-GaAs величина локального поля оказалась, во-первых, почти в два раза ниже, чем считалась ранее из работы D. Paget, а во-вторых, зависящей от условий эксперимента. Это совершенно новый результат, показывающий, что такая базовая характеристика ЯСС как локальное поле, не является константой для конкретного полупроводника и, при необходимости, следует проводить измерение локального поля при изучении выбранной структуры.
В рамках методики спектроскопии отогрева ядерных спинов, для квантовой ямы (КЯ) CdTe/CdZnTe были измерены спектры поглощения в нулевом и во внешних статических магнитных полях, а также зависимости времени спин-решеточной релаксации T1 от величины магнитного поля в темноте.
Таким образом, с помощью методики спектроскопии отогрева ядерных спинов были получены спектры поглощения мощности переменного магнитного поля для КЯ CdTe/CdZnTe. Спектры были измерены в нулевом, а также в статических внешних магнитных полях. Вид спектров поглощения для КЯ CdTe/CdZnTe.сильно отличаются от полученных нами ранее спектров для объемных образцов n-GaAs. В первую очередь это связано со слабой изотопной распространенностью в CdTe, что позволило нам использовать модель ядерных спиновых кластеров для описания измеренных спектров. Мы получили, что модель на основе 2,3 и 5 - спиновых кластеров хорошо описывает спектры как у нулевом, так и во внешних магнитных полях. Таким образом для квантовой ямы CdTe/CdZnTe нами были измерены зависимости времен ядерной спин-решеточной релаксации от величины внешнего магнитного поля в темноте. Мы получили, что время спин-решеточной релаксации T1 удлиняется с ростом внешнего магнитного поля Bdark. Полученный результат мы объясняем моделью, в которой зависимость T1(Bdark) связана с зависимостью коэффициента ядерной спиновой диффузии от величины магнитного поля.
Была полученна теоретическая зависимость спиновой поляризации от коэффициента преобразования сигнала спинового шума в магнитное поле при различных соотношениях амплитуды пика спинового шума и дробового шума фотонов зондирующего пучка света. Оценки достижимых уровней спиновой поляризации дают десятые доли процента для ядер и вплоть до десятков процентов для некоторых электронных систем.
Времена релаксации электронного спина в GaAs структурах с акцепторами Mn ведут себя более сложным образом, чем в структурах p-типа и по порядку величин могут быть сопоставимыми со временами релаксации в структурах n-типа. Получена не типичная для p-GaAs зависимость ядерного поля от поперечного магнитного поля и время релаксации ядерного спина Т1 порядка 20 нс.
По направлению (3) «Спектроскопия спиновых шумов» получены следующие научные результаты.
В результате проведенного строгого теоретического рассмотрения задачи о формировании сигнала спинового шума в ансамбле анизотропных парамагнитных центров было установлено, что анизотропия центров, ответственных за наблюдаемые шумовые сигналы радикальным образом меняет базовые требования к геометрии эксперимента. Результаты проведенного теоретического анализа хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными при изучении ориентационных характеристик спиновых шумов в кристалле флюорита с примесью неодима.
В результате исследования подготовленных нами стеклянных матриц, активированных редкоземельными ионами, был обнаружен новый вид поляризационных сигналов, связанный с флуктуациями двулучепреломления среды. Источником этих флуктуаций являются спонтанные изменения локального окружения примесей, которые могут быть описаны в терминах двухуровневых систем.
В результате обобщения результатов экспериментальных и теоретических исследований закономерностей формирования сигналов спинового шума в кристаллах с примесными центрами было показано, что применение спин-шумовой методики к этим системам открывает новую страницу спектроскопии спиновых шумов. Был снят рад ограничений этой методики не только на круг объектов исследований, но и на их спектральные и поляризационные характеристики, а также на геометрию измерений. Научные данные, полученные в результате применения спектроскопии спиновых шумов редкоземельным ионам в кристаллах актуальны и по отношению к другим объектам этой техники (в частности, к полупроводникам и диэлектрическим стеклам) и значительно расширяют границы применения спектроскопии спиновых шумов в целом.
Нами был предложен и опробован новый простой метод наблюдения оптически стимулированного электронного парамагнитного резонанса (ОСЭПР). Универсальность и информативность описанной методики продемонстрированы на примере спектров ОСЭПР, полученных для таких систем, как кристалл флюорита с редкоземельными ионами Nd3+, n-легированный полупроводник GaAs и атомарный цезий. На спектрах, полученных при изучении атомарного цезия, наблюдается оптическая нелинейность, позволяющая оценить частоту Раби соответствующего оптического перехода. Наблюдаемые в описанных экспериментах эффекты описываются с помощью разработанной теоретической модели. При этом предложенная интерпретация показывает возможность использования описанной методики ОСЭПР для оценки не только относящихся к магнитному расщеплению параметров модельного гамильтониана (g-факторов, времен спиновой релаксации), но и частот Раби, характеризующих оптические переходы.
Был обнаружен и исследован весьма родственный опыту Белла и Блюма эффект прецессии спинового выстраивания, отличающегося от прецессии спиновой намагниченности симметрией.
Методом накачки и зондирования было продемонстрировано подавление прецессии спинового выстраивания в ячейках с парами атомов щелочного металла (цезия) при наличии буферного газа (неона) уже при незначительном давлении. Показано, что в вакуумной кювете эффект оптически стимулированной прецессии спинового выстраивания наблюдается наряду с прецессией спиновой ориентации, и наблюдение обоих эффектов зависит лишь от поляризации света, стимулирующего эту прецессию. В то же время, наличие в кювете атомов буферного газа приводит к подавлению спинового выстраивания
По направлению (4) «Экситонная спектроскопия» получены следующие научные результаты.
Методом «накачка-зондирование» со спектральным разрешением нами была экспериментально исследована, а также численно смоделирована, динамика плотностей квазичастиц резервуара в зависимости от плотности мощности оптической накачки.
Выполнено экспериментальное и теоретическое исследование экситонов в гетероструктурах GaAs/AlGaAs с квантовыми ямами в электрическом поле. Экспериментально обнаружена сильная нелинейная зависимость напряженности поля от напряжения, приложенного к гетероструктуре. Сделано предположение, что эта нелинейность обусловлена фоновым легированием, создающим область пространственного заряда, которая перераспределяется под действием приложенного напряжения и частично экранирует создаваемое электрическое поле. Выполнено квантово-механическое моделирование экситонных состояний в квантовых ямах в электрическом поле. Вычислены полевые зависимости основных параметров нескольких экситонных резонансов, наблюдаемых экспериментально в спектрах отражения. Установлено, что полевые зависимости всех параметров укладываются в общую зависимость, характерную для каждой гетероструктуры. Таким образом показано, что экситон может служить чувствительным зондом напряженности
Таким образом, наши результаты показывают, что в спектр отражения широкой КЯ CdTe/CdZnTe вносят вклад несколько размерно-квантованных экситонных состояний. Динамика фотоиндуцированного уширения экситонных резонансов изучена при резонансном возбуждении состояния Xhh1. Ее долгоживущее поведение предполагает, что, как и в КЯ GaAs, фотоиндуцированный вклад в нерадиационное уширение вызван взаимодействием с резервуаром неизлучающих (темных) экситонов. При низких мощностях возбуждения и низких температурах образца основным процессом опустошения резервуара является, предположительно, рассеяние темных экситонов в световой конус с эмиссией акустических фононов и последующей быстрой рекомбинацией экситонов. Это медленный процесс, поэтому резервуар не опустошается полностью за период повторения импульсов 12.5 нс. Об этом свидетельствует наличие ненулевого фотоиндуцированного уширения экситонных резонансов при отрицательных временных задержках.
При более сильном возбуждении образца появляется относительно быстрая компонента затухания (t_1≃200 пс). Мы предполагаем, что она может быть связана с нагреванием резервуара и делокализацией резидентных электронов, которые присутствуют в изучаемой КЯ. Экситон-электронное рассеяние эффективно опустошает резервуар, что приводит к быстрому уменьшению нерадиационного уширения. Одновременно температура резервуара уменьшается, электроны локализуются снова, и опустошение резервуара замедляется.
Экспериментально измерены спектры отражения гетероструктуры GaAs/Al_0.03 Ga_0.97 As с квантовой ямой шириной 14 нм в магнитном поле в двух циркулярных поляризациях. Исследованная структура Т670, выращенная в РЦ «Нанофотоника» СПбГУ, обладает высоким кристаллическим качеством, что проявляется, в частности, в сравнимой величине радиационного и нерадиационного уширений экситонных резонансов. В эксперименте наблюдаются резонансы Xhh и Xlh, которые соответствуют экситонным состояниям с тяжелой и легкой дыркой, соответственно. В магнитном поле эти резонансы испытывают диамагнитный сдвиг и зеемановское расщепление, которое более явно проявляется для резонанса экситона с легкой дыркой. Кроме этих двух резонансов в спектрах наблюдаются еще два резонанса ниже по энергии резонанса Xhh. На основании теоретического моделирования мы приписываем их трионным состояния в синглетной и триплетной конфигурациях.
Путем численного решения уравнения Шредингера выполнен численный расчет волновых функций и энергии экситонных состояний в квантовой яме в магнитном поле, учитывающий зоны тяжелых дырок, легких дырок и зону, отщепленную спин-орбитальным взаимодействием. Результаты расчета количественно согласуются с экспериментальными данными, полученными нами как для экситона с тяжелой дыркой, так и для экситона с легкой дыркой. Ппоказано, что для объяснения экспериментально полученных значений зеемановского расщепления в исследованной квантовой яме необходим учет как кулоновского взаимодействия, так и вклада трех зон в валентной зоне. Описан эффект экранирования экситонных состояний двумерным газом электронов, концентрация которых составляет величину n≈〖10〗^9 см^(-2). Численный расчет проведен для большого диапазона ширин квантовых ям и концентраций алюминия в барьерах, составлена карта зависимости величины эффективного g-фактора от этих параметров для магнитного поля величиной B=5 Тл.
Для подтверждения модели формирования антистоксовой фотолюминесценции (ФЛ) проведены прямые экспериментальные исследования медленной компоненты кинетики затухания ФЛ в перовскитных НК CsPbDr3 и CsPbI3 во фторфосфатной стеклянной матрице. Установлено, что при низких температурах медленная компонента ФЛ затухает на временах в единицы микросекунд, что на приблизительно на четыре десятичных порядка больше чем время затухания излучения светлых экситонов. При небольшом увеличении температуры образца до 20 К, время затухания медленной компоненты резко сокращается. Оба этих результата являются прямым подтверждением модели, развитой в работе [Батаев-ОптСп2022].
Обнаружены и экспериментально исследованы фононные повторения в спектре резонансной фотолюминесценции нанокристаллов CsPbBr3. Проведено теоретическое моделирование поведения интегральной интенсивности фононных реплик в зависимости от номера, что позволяет оценить соотношение кривизны возбужденного и основного адиабатических потенциалов для колебательных состояний в НК CsPbBr3. Результаты моделирования дополнительно подтверждаются экспериментальными измерениями частот фононов в основном и возбужденном электронных состояниях системы. При сравнении результатов численного моделирования четных и нечетных фононов со спектрами комбинационного рассеяния света резонансной фотолюминесценции и резонансной ФЛ обнаруживается качественное согласие расчета и результатов эксперимента. Это позволяет утверждать, что НК CsPbBr3 при низкой температуре переходят в низкосимметричную орторомбическую фазу. Помимо приближенности теоретической модели, расхождения результатов расчета и экспериментально измеренных спектров, возможно, связаны с квантово-размерным эффектом и влиянием фторфосфатной стеклянной матрицы.
Проведено экспериментальное и теоретическое исследование спектра фононных состояний НК CsPbI3. Спектры резонансной ФЛ значительно отличаются от результатов, полученных в ходе исследования НК CsPbBr3. Дополнительное теоретическое исследование, запланированное на следующий год, позволит точнее смоделировать экспериментальные результаты и определить фазу кристаллической решетки НК CsPbBr3.
По направлению (5) «Четырехволновое смешение и фотонное эхо» получены следующие научные результаты.
Впервые продемонстрировано экспериментальное проявление ядерной спиновой системы в когерентном оптическом отклике в полупроводниках. Оказалось, что спиновые ядерные флуктуации, являющиеся основным механизмом спиновой релаксации локализованных носителей, приводят к возникновению долгоживущего когерентного отклика в виде трехимпульсного фотонного эха. Развитая нами теория полностью описывает влияние ядерных спиновых флуктуаций на сигналы трехимпульсного фотонного эха. Проведенные исследования открывают перспективы для дальнейшего расширения возможностей оптической памяти, основанной на полупроводниках, посредством переноса оптической информации в ядерную спиновую систему, время когерентности которой может составлять минуты и часы.
По направлению (6) «Спиновая динамика в полупроводниковых наноструктурах» получены следующие научные результаты.
Был продемонстрирован эффект синхронизации мод прецессии дырочных спинов в нанокристаллах перовскита галогенида свинца CsPb(Cl0.5Br0.5)3 в стеклянной матрице, первоначально обнаруженный для спинов носителей в однократно заряженных квантовых точках (In,Ga)As. При этом в исследуемой системе динамическая ядерная поляризация приводит к дополнительной подстройке частот прецессии спинов носителей (эффект ядерной спиновой фокусировки), компенсируя разброс g-факторов в различных нанокристаллах, что существенно увеличивает время спиновой релаксации дырок.
Иисследования позволили получить детальную информацию о динамике спинов дырок, оценить g-фактор и его разброс, времена продольной и поперечной спиновой релаксации и время спиновой дефазировки в ансамбле. Было обнаружено очень большое время жизни спина дырки вплоть до микросекундного диапазона. Изучено взаимодействие дырочных спинов с ядерной спиновой системой. Разработана теория синхронизации мод спиновой прецессии в перовските, учитывающая инвертированную зонную структуру, случайную ориентацию нанокристаллов в ансамбле, и доминирующую роль дырочно-ядерного взаимодействия. Показана возможность реализации многоимпульсных протоколов управления спиновой когерентностью, в том числе с участием сильного взаимодействия спинов дырок со спинами ядер.
По направлению (7) «Магнитная ориентация птиц» получены следующие научные результаты.

В условиях естественного освещения при нормальном геомагнитном поле при отсутствии астроориентиров мухоловки-пеструшки показывали направление, соответствующее направлению их осенней миграции. ОМП с амплитудой в диапазоне 44-50 нТл также не нарушало ориентацию птиц.