В ходе выполнения работ по 3-му этапу проекта 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.
Техническое сопровождение лабораторного оборудования, дооснащение экспериментальных установок электрическими розетками, системами контроля электропитания и водяного охлаждения, обеспечение модернизации установок необходимыми механическими элементами и расходными материалами производилось техником Лаборатории оптики спина Игнатьевым Н.И. Техническое обеспечение лабораторного оборудования, изготовление оптомеханических деталей производилось механиком Лаборатории оптики спина Кондрашевым Е.В.
В рамках проекта опубликовано 27 научных статей, из них, 17 статей, опубликованные в журналах Q1 и Q2 квартилей. В 2024 году в Лаборатории оптики спина реализовывалось 3 проекта РНФ, а также Договор субподряда в рамках реализации ДК РОСАТОМа.
Результаты исследований были представлены на международных и российских конференциях в качестве 8-ми устных докладов, а также 4-мя стендовыми презентациями.
Значения показателей результативности, заявленные для отчетного этапа работ, достигнуты.
Таким образом, можно заключить, что 3 этап выполнения проекта по теме «Исследования оптических и спиновых свойств поляритонов, экситонов и носителей заряда в полупроводниковых структурах» выполнен полностью и в срок.
В период 2022-2023 гг в рамках реализации проекта было опубликовано 45 научных статей и 16 статей в сборниках трудов конференций индексируемых в РИНЦ. Из 45 статей, описывающих результаты работ, 25 статей, опубликованные в журналах квартили Q1. Результаты исследований были представлены на международных и российских конференциях в качестве 4-х приглашенных и 13-ти устных докладов, а также 14-ти стендовых презентаций. В ходе выполнения работ проекту в 2022-2023 годах были получены следующие основные результаты:
По направлению «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. Методом численного моделирования была построена математическая модель поляритонной системы качественно согласующаяся с экспериментальными результатами. В двухкольцевом поляритонном конденсате продемонстрирована возможность управления состоянием экситон поляритонного конденсата. Были определены наилучший радиус ловушки и возможный диапазон мощности лазера, необходимые для формирования моды конденсата в виде одного кольца. Контролируемым образом был экспериментально получен конденсат экситонных поляритонов с различными угловыми орбитальными моментами в зависимости от наличия или отсутствия контрольного импульса и его положения. Было произведено теоретическое моделирование поведения поляритонного конденсата в оптически индуцированной кольцевой ловушке. Был сделан статистический анализ поляризации излучения конденсата, демонстрирующий стохастическую природу переключения этой поляризации от импульса к импульсу. Было экспериментально показано, что вплоть до высокой температуры, можно создать изолированный конденсат в оптической ловушке, не подверженный внешним воздействиям, нарушающим спиновую поляризацию. Был разработан теоретический подход для контролируемого возбуждения таммовских поляритонных состояний в структурах сложной топологии.
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. 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. На основе численных экспериментов показано, что изменение эллиптичности пятна накачки может эффективно использоваться для управления периодом осцилляций. Предложен подход к количественной оценке взаимодействия между экситонными поляритонами и тёмными экситонами в оптическом микрорезонаторе, основанный на анализе бистабильного поведения поляритонного конденсата. Выполнено экспериментальное наблюдение баллистического распространения экситон-поляритонного конденсата в кольцевой волноводной структуре. 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. 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. Показано, что резонансная связь линейной и круговой поляризаций в присутствии вращения приводит к биениям поляризации. Выявлены условия, при которых в присутствии нарушения симметрии возникают токовые состояния конденсата с циркулярной поляризацией, найдены критические пороговые плотности для спонтанного нарушения симметрии. Изучен энергетический спектр магнитного монопольного экситона, и получены восприимчивость и дисперсионное соотношение монопольного поляритона. Впервые в СПбГУ был выращен образец с микрорезонатором и квантовой ямой. При мощности накачки порядка P=2 mW был продемонстрирован порог поляритонного лазера
По направлению «Электронно-ядерная спиновая динамика в объемных полупроводниках и наноструктурах» получены следующие научные результаты.
Были экспериментально измерены времена электронной спиновой релаксации в объемных слоях InGaAs, которые достигли рекордного значения T_s∼1 мксек. 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. 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. Были экспериментально измерены спектры поглощения охлажденных ядерных спинов в нулевом магнитном полу для структур GaAs с разной степенью легирования. 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. 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. 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. Методикой спектроскопии отогрева было продемонстрировано, что при достаточно высоких спиновых температурах что вид спектра коррелятора объемного образца n-GaAs определяется квадрупольными и диполь-дипольным взаимодействиями. Было установлено, что диполь-дипольное взаимодействие отвечает за высокочастотную часть спектра, а квадрупольное взаимодействие - за низкочастотной вклад. Было установлено, что в основном к значительному понижению спиновой температуры приводит увеличение времени оптического охлаждения. Однако, начиная с времен порядка 2000 секунд, спиновая температура перестает понижаться. Было экспериментально продемонстрировано 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. Для квантовой ямы CdTe/CdZnTe были измерены зависимости времен ядерной спин-решеточной релаксации от величины внешнего магнитного поля в темноте. Было получено, что время спин-решеточной релаксации T1 удлиняется с ростом внешнего магнитного поля Bdark. Было продемонстрировано, 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 «Спектроскопия спиновых шумов» получены следующие научные результаты.
Был проведен цикл исследований по выявлению инвариантов спектров магнитного резонанса и спектров спиновых шумов в кристаллах с анизотропными центрами. 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). 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. Был обнаружен новый вид поляризационных сигналов, связанный с флуктуациями двулучепреломления среды Был предложен и опробован новый простой метод наблюдения оптически стимулированного электронного парамагнитного резонанса (ОСЭПР). Был обнаружен и исследован весьма родственный опыту Белла и Блюма эффект прецессии спинового выстраивания, отличающегося от прецессии спиновой намагниченности симметрией. Было показано, что в вакуумной кювете эффект оптически стимулированной прецессии спинового выстраивания наблюдается наряду с прецессией спиновой ориентации, в то же время, наличие в кювете атомов буферного газа приводит к подавлению спинового выстраивания
По направлению «Экситонная спектроскопия» получены следующие научные результаты.
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. Были проведены экспериментальные исследования и теоретический анализ динамики экситонов в неизлучающем резервуаре в гетероструктуре с одиночной квантовой ямой GaAs/AlGaAs шириной L = 14 nm. Было проведено экспериментальное исследование спектров отражения одиночной квантовой ямы GaAs/AlGaAs в электрическом поле при резонансном оптическом возбуждении. Было проведено экспериментальное исследование и теоретическое моделирование гетероструктур GaAs/AlGaAs с микрорезонатором. Были проведены теоретические расчеты ширины уровней и величины энергетических сдвигов резонансных состояний примесного электрона в квантовых ямах с бесконечными барьерами. Было проанализировано влияние толщины пластины GaAs на энергию экситона во внешнем электрическом поле.
Экспериментально обнаружена сильная нелинейная зависимость напряженности поля от напряжения, приложенного к гетероструктуре. 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. Было продемонстрировано, что в спектр отражения широкой КЯ CdTe/CdZnTe вносят вклад несколько размерно-квантованных экситонных состояний. Было экспериментально продемонстрировано, что вклад в спектр отражения гетероструктуры GaAs/Al_0.03 Ga_0.97 As с квантовой ямой шириной 14 нм вносят резонансы Xhh и Xlh а также 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. Показано, 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.
Были экспериментально исследованы оптические свойства нового класса материалов НК перовскита в стеклянной матрице. Был экспериментально наблюден эффект антистоксовой фотолюминесценции в НК перовскита CsPbBr3. Была экспериментально измерена длинная (микросекундная) кинетика люминесценции в НК перовскита CsPbBr3. Были экспериментально наблюдены и теоретически смоделированы линии фононных повторений в перовскитных нанокристаллах на основе галогенидов Br. Было экспериментально исследовано влияние ионов кадмия на рост нанокристаллов CsPbxCd1-xBr3 во фторофосфатном стекле. Впервые была экспериментально исследована температурная зависимость фотолюминесценции нанокристаллов полупроводникового перовскита CsPbBr3 во фторофосфатном стекле в диапазоне температур от 300 до 423 К. Установлено, что при низких температурах медленная компонента ФЛ в перовскитных НК CsPbBr3 и CsPbI3 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 c перовскитными НК CsPbBr3 и CsPbI3 до 20 К, время затухания медленной компоненты резко сокращается. 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. Доказано, что НК CsPbBr3 при низкой температуре переходят в низкосимметричную орторомбическую фазу. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование спектра фононных состояний НК CsPbI3.
По направлению «Четырехволновое смешение и фотонное эхо» получены следующие научные результаты.
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. Был развита теоретическая модель, которая расширила имеющеюся до этого, за счет учета не нулевого g фактора дырки и процессов спиновой релаксации дырок. Было продемонстрировано и проведен анализ влияния ядерных спиновых флуктуаций на когерентный оптический отклик. Было показано, что ядерные спиновые флуктуации могут приводить к возникновению дополнительного оптического когерентного отклика, даже при нулевом внешнем магнитном поле. При помощи методов спектроскопии двухимпульсного фотонного эха были определены основные характеристики экситоного и биэкситонного резонансов в объемном кристалле перовскита MAPbI3. Были определены времена их необратимой фазовой релаксации (0.8 пс и 0.67 пс), а также энергия связи биэкситона, EBiX = 2.4 мэВ. Впервые продемонстрировано экспериментальное проявление ядерной спиновой системы в когерентном оптическом отклике в полупроводниках. Продемонстрировано что спиновые ядерные флуктуации, являющиеся основным механизмом спиновой релаксации локализованных носителей, приводят к возникновению долгоживущего когерентного отклика в виде трехимпульсного фотонного эха. Развита теория, которая полностью описывает влияние ядерных спиновых флуктуаций на сигналы трехимпульсного фотонного эха.
По направлению «Спиновая динамика в полупроводниковых наноструктурах» получены следующие научные результаты.
Была экспериментально изучена долгоживущая динамика спинов резидентных дырок в нанокристаллах перовскита галогенида свинца CsPb(Cl0.5Br0.5)3 в стеклянной матрице. Был экспериментально обнаружен новый вид магнитного полярона, образованный положительно заряженным трионом. Была экспериментально исследована динамика радиационного уширения экситонов с легкой и тяжелой дырками в 14-нм квантовой яме GaAs/AlGaAs при их когерентном возбуждении. Была определена структура уровней системы легкого и тяжелого экситонов в квантовой яме GaAs/AlGaAs с помощью теоретического моделирования экспериментальных данных. Был продемонстрирован эффект синхронизации мод прецессии дырочных спинов в нанокристаллах перовскита галогенида свинца CsPb(Cl0.5Br0.5)3 в стеклянной матрице. Было показано, что 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. Была получена детальная информация о динамике спинов дырок, оценен 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. 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. Было экспериментально продемонстрировно два вклада в Керровский сигнал при импульсной накачке на частоте Ларморовой прецессии спинов электронов в широкой яме CdTe и спинов магнитных ионов Mn в узкой яме. Проведено точное квантовомеханическое моделирование энергетического спектра и волновых функций структуры.
По направлению «Магнитная ориентация птиц» получены следующие научные результаты.
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. Было экспериментально определен порог чувствительности магнитного компаса дальнего африканского мигранта – мухоловки-пеструшки – к переменным магнитным полям в частотном диапазоне 1.4МГц. Были проведены исследования физических ограничений на чувствительность и точность магниторецепторов на основе нанокристаллов магнетита в компасных и навигационных системах позвоночных животных. 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 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.