Исследование экситонных состояний в магнитном поле исторически зарекомендовало себя как надежный способ определения свойств экситонов. Приложение магнитного поля контролируемо меняет форму волновой функции экситона, и позволяет отличить экситонные состояния в полупроводниковых кристаллах от примесных состояний по поведению особенностей в оптических спектрах. Это сыграло важную роль для подтверждения существования экситонных состояний. Качество исследуемых образцов оставляло желать лучшего, и первые наблюдения экситонных состояний, на краю области поглощения, были неотличимы от примесных состояний. Приложение магнитного поля позволило оценить характерный размер локализации носителей по сдвигу линий поглощения и он совпал с экситонным боровским радиусом.
Со временем, чистота полупроводниковых материалов и технологии роста кристаллов радикально улучшились, позволяя избегать примесей в образцах. Вместе с тем, появилась возможность изготавливать гетероструктуры, комбинируя полупроводниковые материалы с послойным контролем состава выращиваемых кристаллов. Простейшей из гетероструктур является, так называемая, квантовая яма. Это слой полупроводникового кристалла толщиной от единиц монослоев до тысяч, выращенный в кристаллическом окружении отличного состава, но с близкой постоянной решетки. Различие в зонной структуре материалов квантовой ямы и барьеров, её окружающих, реализует в квантовой яме прямоугольную потенциальную яму для носителей. Экситоны также подвержены локализации в квантовой яме в силу локализации электрона и дырки в прямоугольных потенциальных ямах, образующихся как в зоне проводимости, так и в валентной зоне. С теоретической точки зрения, задача об экситоне в квантовой яме является слабой формой задачи трёх тел, и требует численного решения уравнения Шредингера. Нами был разработан подход, позволяющий численно получать волновые функции экситонов в квантовых ямах при приложении продольного магнитного поля. Получаемые волновые функции служат основой для точного расчета силы осциллятора экситонного состояния или обменных взаимодействий различных экситонных состояний. Подход успешно моделирует величины Зеемановских расщеплений состояний с учетом влияния кристаллической структуры на поведение носителей. Перспективным представляется применение Монте-Карло симуляций для оценки неоднородного уширения экситонных состояний под действием случайных процессов в гетероструктуре.
Численные расчеты служат описанию экспериментальных данных, получаемых нами на образцах, выращиваемых методом молекулярно-пучковой эпитаксии в Санкт-Петербургском государственном университете. Выдающиеся экспериментальные результаты были бы невозможны без гетероструктур исключительного качества, которые выращиваются благодаря многолетней непрерывной работе и накопленному опыту ростовой группы, работающей в университете уже более 30 лет. Приоритетный доступ к технологии роста гетероструктур и возможность получать образцы лучшего качества дают возможность развивать новые экспериментальные методики исследования экситонных состояний. Одна из таких методик была предложена сотрудником нашей лаборатории Трифоновым А. В. при детальном изучении параметров экситонных резонансов в спектрах отражения с дополнительным лазерным возбуждением. Исключительно узкие экситонные резонансы оказались чувствительны к наличию в гетероструктуре неравновесных носителей. Используя перестраиваемый титан-сапфировый лазер, произведенный в Новосибирске фирмой «Техноскан», удалось прописать структуру состояний в квантовой яме. Получаемые спектры содержат «ступеньки», отвечающие подзонам размерно-квантованных состояний электронов и дырок в квантовой яме, а также пики, соответствующие экситонным особенностям, некоторые из которых обычно не проявляются в спектрах из-за малой силы осциллятора таких состояний.
Новая методика исследования структуры свободных носителей в квантовых ямах особенно перспективна при приложении магнитного поля. Контролируемое изменение плотности состояний носителей в квантовой яме магнитным полем приведет к образованию уровней Ландау и увеличению сил осцилляторов экситонных состояний. Ступенчатый спектр, наблюдаемый в отсутствие поля, преобразуется в набор линий доступный для интерпретации. В перспективе это позволит уточнить материальные параметры, такие как разрывы зон и эффективные массы носителей.
Главной целью проекта является установка количественной связи между параметрами экситона, доступными для измерения, и количеством свободных носителей в полупроводниковой наноструктуре. Такая связь сделает возможным использовать экситонные состояния в гетероструктурах для зондирования поведения свободных носителей в наноструктурах. Магнитное поле в ходе измерений будет контролировать плотность состояний свободных носителей, а перестраиваемый лазер возбуждения будет задавать точку на кривой плотности состояний. Таким образом будет осуществлен полный контроль над количеством создаваемых носителей. При должном теоретическом анализе механизмов релаксации свободных носителей мы сможем установить однозначное соответствие между концентрацией свободных носителей и измеряемыми параметрами экситона.
