Приглашение проф. А. В. Кавокина для создани я лаборатории и выполнения научных исследований в направлении "Polariton Spin Devices": 2022 г. этап 7

Проект: исполнение гранта/договораисполнение этапа гранта/договора

Сведения о проекте

описание

В 2022 году, в лаборатории оптики спина планируется продолжение исследований по следующим научным направлениям:В рамках направления «Спектроскопия поляритонов в гетероструктурах с микрорезонаторами» будет проводиться экспериментальное исследование двух замкнутых кольцевых сверхтекучих токов экситонных поляритонов в полупроводниковых микрорезонаторах, направленное на выявление возможности управления направлением и переключением токов конденсата в кольцах, с целью потенциального использования для создания поляритонного кубита. Предполагается изучение как полностью замкнутых конденсатов, так и конденсатов с внедренной слабой связью по типу джозефсоновских переходов в сверхпроводящих потоковых кубитах. Исследования будут проводиться на полупроводниковых планарных микрорезонаторах и микрорезонаторах в форме цилиндрических микропилларов. Программа исследований включает в себя измерение фотолюминесценции в ближнем поле, интерферометрию излучения конденсатов и цифровую обработку экспериментальных данных и теоретическое моделирование.
По направлению «Спектроскопия спиновых шумов» работа будет вестись по трём основным направлениям, каждое из которых определяется классом исследуемых объектов.
1. Кристаллы и стёкла, активированные редкоземельными ионами. Метод спектроскопии спиновых шумов обладает двумя важными преимуществами по сравнению с классической ЭПР-спектроскопией: возможностью оптической адресации ансамблей ионов в различных конфигурациях, и возможностью исследований расщеплений в малых или даже нулевых магнитных полях. В 2022 году установка будет дооснащена для расширения диапазона генерации лазера для работы на длинах волн 700–770 и 850–950 нм, что позволит расширить круг редкоземельных активационных центров, доступных для исследования методом СПФ. Будут выполнены исследования оптически изотропных и оптически анизотропных активированных кристаллов (таких как CaF2:Nd3+, CaWO4:Nd3+, SrF2:Yb3+ и др.), развита техника характеризации анизотропных центров и исследования их ориентации в среде по панорамным спектроугловым картам парамагнитных резонансов.
2. Атомные системы (пары щелочных металлов). Планируется изучить спиновые шумы в насыщенных парах цезия, стимулированные собственным шумом лазера. Предварительные теоретические исследования показали, что фазовый шум полупроводникового лазера может стимулировать спиновую прецессию атомной намагниченности, что должно проявляться в виде антикорреляции спинового и лазерного шума на частоте прецессии Лармора в спектре поляризационных световых шумов. Иными словами, на частоте прецессии Лармора должно наблюдаться снижение уровня шума. Задача состоит в том, чтобы достоверно определить условия, при которых возможно стабильно наблюдать этот эффект. Кроме того, в 2022 году планируется изучить поведение спинового шума в условиях двухцветной накачки. Длины волн излучения лазеров будут соответствовать переходам в D1 и D2 линиях цезия. Благодаря тому, что у данных оптических переходов общее основное состояние, спиновые шумы которого наблюдаются в эксперименте, возможным становится изучение влияния сверхтонкой накачки на спиновые шумы атомной системы. Ранее было показано, что при зондировании на частоте замкнутого перехода уширение пика спинового шума с ростом интенсивности зондирующего света слабее, чем на остальных оптических переходах. С помощью второго лазера планируется увеличить населенность проекции основного состояния, с которого реализуется замкнутый переход, тем самым увеличив амплитуду пика. Дальнейшее развитие экспериментальной установки предполагает изучение спиновых шумов оптически ориентированной системы. В рамках этого направления предполагается также завершить исследования прототипа флуктуационного магнитометра: реализовать схему векторного измерения магнитного поля.
3. Экситон-поляритонные конденсаты в оптических ловушках. Данное направление существенно отличается от двух предшествующих, поскольку объектом исследования здесь выступают короткоживущие ансамбли светорождённых квазичастиц — экситон-поляритонные конденсаты. В 2022 году планируется выполнить исследования флуктуаций керровского вращения резонансно зондирующего образец-поляритонный генератор света в зависимости от мощности и поляризации накачки, а также пространственного профиля возбуждающего генерацию света. Параллельно будет вестись технологическая работа: ростовая группа молекулярно-пучковой эпитаксии РЦ «Наноконструирование фотоактивных материалов» будет вести поэтапную работу над созданием образца поляритонного генератора на основе слоистой структуры GaAs/AlGaAs. В процессе будет произволиться оптическая характеризация выращиваемых образцов для коррекции ростовых параметров.
Помимо основных направлений будет выполняться отработка особенностей техники активной шумовой спектроскопии, использующей широкополосную шумовую модуляцию эллиптичности или интенсивности поляризованного зондирующего луча.
По направлению «Экситонная спектроскопия» исследования будут нацелены на решение нескольких научных задач.
1. Свето-экситонное взаимодействие в широких квантовых ямах в магнитном поле.
Выполненные ранее исследования показывают, что приложение магнитного поля приводит не только к энергетическому расщеплению и сдвигу экситонных состояний в магнитном поле, но и к изменению свето-экситонного взаимодействия. Все эти эффекты будут использованы для анализа структуры уровней нижайших экситонных состояний в широких квантовых ямах на основе GaAs. Эти состояния расположены достаточно тесно, так что свето-экситонное взаимодействие может их смешивать, в результате чего оптическая спектроскопия не позволяет однозначно идентифицировать природу экспериментально наблюдаемых экситонных резонансов. Исследования большой серии оптических спектров и магнитном поле дают богатую экспериментальную информацию, которая, в принципе, позволяет расшифровать природу состояний. Для этого необходимо выполнить достаточно сложные квантово-механические расчеты экситонных состояний в квантовых ямах в магнитном поле. Экспериментальные исследования спектров отражения нескольких образцов с широкими квантовыми ямами уже выполнены. В 2022 году планируется развить теоретические подходы к анализу полученных спектров, используя микроскопическое моделирование экситонных состояний, основанное на решении уравнения Шредингера с гамильтонианом Латтинжера для вырожденной валентной зоны. Предполагается, что это позволит расшифровать наблюдаемые спектры и описать эффекты магнитного поля, наблюдаемые экспериментально

2. Исследование взаимодействия экситонов в квантовых ямах в электрическом поле.
Предполагается исследовать полупроводниковые наноструктуры с экситонными резонансами, оптической восприимчивостью которых можно управлять с помощью внешнего электрического поля, поляризующего экситоны. Поляризованные экситоны могут взаимодействовать как диполи, поэтому электрическое поле позволяет контролировать взаимодействие экситонов и, тем самым, резонансную оптическую нелинейность. Основное внимание в экспериментальных исследованиях будет уделено изучению радиационного и нерадиационного уширения, а также сдвига экситонных резонансов в различных электрических полях и при различных условиях оптического возбуждения.
3. Исследование влияния неизлучающих экситонов на экситон-экситонное взаимодействие.
Исполнителями было ранее установлено, что в экситон-экситонном взаимодействии большую роль играют неизлучающие экситоны с большим волновым вектором вдоль слоя квантовой ямы. Предполагается дальнейшее развитие этих исследований, поскольку неизлучающие экситоны могут определять нелинейные оптические эффекты в отклике излучающих экситонов. Одним из направлений дальнейших исследований предполагается изучение диффузии неизлучающих экситонов, которая может сильно модифицировать экситон-экситонное взаимодействие. В связи с этим предполагается изучить динамику этого процесса методом накачки-зондирования.

4. Моделирование экситон-экситонного и экситон-электронного взаимодействий в гетероструктурах с квантовыми ямами.
Методом численного решения трехмерного уравнения Шредингера будет выполнен микроскопический расчет экситонных волновых функции в квантовых ямах различной ширины.
5. Вычисление энергий, радиационных и нерадиационных ширин резонансных экситонных состояний на фоне сплошного спектра.
Для экспериментального изучения свето-экситонного взаимодействия и резонансных оптических нелинейностей важно исследование уширения спектральных линий и процессов, вызывающих эти уширения. Уширение спектральных линий включает в себя радиационные и нерадиационные вклады. Радиационное уширение вычисляется в рамках стандартной теории свето-экситонного взаимодействия. Нерадиационное уширение включает в себя несколько процессов, включая рассеяние на фононах, свободных носителях, экситонах, а также зависит от качества структуры и экспериментальных условий. Будет изучено уширение спектральных линий из-за рассеяния электрона и дырки в плоскости квантовой ямы. Данное уширение находится с помощью анализа связанных состояний высоких подзон в квантовой яме на фоне континуума нижних подзон.

6. Когерентная динамика легких и тяжелых экситонов в квантовых ямах.
Ранее исполнителями был обнаружен и изучен эффект квантовых биений размерно-квантованных экситонных состояний в широкой квантовой яме. Особенность обнаруженного эффекта заключается в осциллирующем сдвиге энергетических уровней на частоте квантовых биений. Предлагается дальнейшее развитие этих исследований на случай когерентной динамики легких и тяжелых экситонов. Экспериментальные исследования будут выполнены методом накачка-зондирование со спектральным и поляризационным разрешением.

В рамках направления «Четырехволновое смешение и фотонное эхо» планируется вести по следующим взаимосвязанным направлениям:
1) Изучение ядерной спиновой подсистемы методами спин-зависимого фотонного эха.
Деятельность по данному направлению является логическим продолжением исследований, проведенных членами коллектива в предыдущие годы. Разработанный экспериментальный метод спин-зависимого стимулированного фотонного эха [Nature Photon 8, 851–857 (2014)] помимо приложений для квантовой и оптической памяти является мощным инструментом для изучения спиновой динамики носителей в наноструктурах, в том числе в квантовых точках. Как известно, в квантовых точках InGaAs/GaAs время жизни спина электрона сильно ограничено флуктуациями спинов ядер, что ограничивает предполагаемое использования квантовых точек во многих протоколах спин-фотонного спутывания [Nat. Photon. 9, 363 (2015)]. В этом направлении исследований будет проведено экспериментальное изучение ядерных спиновых флуктуаций в ансамбле InGaAs/GaAs квантовых точек методами фотонного эха.
2) Ядерный магнитный резонанс и фотонное эхо
Данное направление во многом перекликается с предыдущим пунктом, однако в этом направлении предполагается развитие методов активного воздействия на ядерную спиновую систему. В экспериментах по спин-зависимому стимулированному фотонному эху [Nature Photon 8, 851–857 (2014)] образец возбуждается последовательностью трех оптических импульсов, формирующих детектируемый когерентный оптический отклик. При этом первые два импульса, падающие на образец под разными углами, формируют бегущую спиновую решетку. Применение в эксперименте акусто-оптических модуляторов с контроллерами нового поколения позволяет контролировать частоту прецессии локального электронного спина (бегущую частоту спиновой решетки). Если эта частота совпадет с частотой расщепления спиновых подуровней ядер в магнитном поле, то будут реализованы условия для эффективной оптической поляризации ядерной спиновой системы. Этот процесс является неотъемлемой частью экспериментального протокола спин-зависимого стимулированного фотонного эха, что позволяет непосредственно изучать влияние поляризованной ядерной системы на спиновую динамику электронов.
3) Оптический контроль таймингов фотонного эха и осцилляции Раби
Как недавно было показано коллективом исполнителей, оказывается возможным управлять временем формирования импульсов фотонного эха при помощи мощных контрольных импульсов [Commun Phys 3, 228 (2020)]. Контроль достигается за счет эффекта осцилляции Раби, индуцируемого контрольным импульсов. А именно, что на время их действия приостанавливается оптическая дефазировка в неоднородном ансамбле.
4) Изучение новых материалов методами спектроскопии фотонного эха
Спектроскопия четырех волнового смешивания и фотонного эха является мощным экспериментальным инструментом для изучения свойств различных систем. А именно, фотонное эхо позволяет исследовать время жизни индивидуальных оптических диполей в ансамблях с сильным неоднородным уширением. Помимо этого, поляриметрия фотонного эха [Sci Rep 9, 5666 (2019)] позволяет исследовать энергетическую структуру уровней и структуру оптических переходов между ними, что для большинства экспериментальных методик является сложнейшей задачей. Одновременно с этим, оказывается возможным изучение спиновых свойств носителей [Phys. Rev. Lett. 109, 157403 (2012);Nature Photon 8, 851–857 (2014)].

В рамках направления «Спиновая динамика в полупроводниковых наноструктурах» будут продолжены исследования спин-спиновых взаимодействий в неоднородных ансамблях в полупроводниковых наноструктурах с помощью магнито-оптических методов. Планируется исследовать сильно связанную электрон-ядерную спиновую систему с целью изучения возможностей эффективной передачи углового момента света в долгоживущую ядерную спиновую систему через оптическую ориентацию спинов носителей. Предполагается формировать заданное конечное число мод спиновой прецессии в электронно-ядерной системе с помощью специально подобранного протокола оптического возбуждения периодически следующими импульсами при приложении внешнего магнитного поля. Планируется изучать спиновые ансамбли в выращенных для этих исследований наноструктурах с самоорганизованными квантовыми точками InGaAs/GaAs со смачивающим и без смачивающего слоя. Управление модовой структурой и временем жизни спиновой поляризации позволит изучить механизмы взаимодействия между пространственно разнесенными спиновыми ансамблями, что является одной из возможностей реализации взаимодействия кубитов.
Кроме этого, предполагается проведение исследований спиновой динамики в новых материалах, а именно в нанокристаллах перовскитов в стеклянной матрице. Перовскиты галогенидов свинца в последнее время вызывают серьезный интерес своей перспективностью для оптоэлектронных приложений. В этих материалах есть сильное спин-орбитальное взаимодействие, которое обеспечивает эффективную оптическую ориентацию спинов носителей. Стеклянная матрица стабилизирует нанокристаллы и, тем самым, они не деградируют как объемные образцы. Несмотря на большой интерес, спиновые состояния в различных перовскитных материалах мало исследованы. В настоящей работе запланировано экспериментальное и теоретическое исследование спин-зависимых явлений в стабильных нанокристаллах перовскитов с помощью нестационарных магнито-оптических методов во внешнем магнитном поле. Моделирование будет проводиться в полуклассической модели, когда электромагнитная волна описывается уравнениями Максвелла, а спиновый ансамбль в нанокристаллах рассматривается квантово-механически. При этом взаимодействие изучаемой системы со светом описывается уравнениями Блоха.

В рамках направления «Ядерная спиновая динамика в полупроводниковых структурах» будут продолжены исследования по изучению электронно-ядерной спиновой динамики в объемных полупроводниках и наноструктурах.
Нами теоретически предсказано формирование различных электронно-ядерных спин-упорядоченных структур при охлаждении ЯСС до спиновых температур, порядка долей микрокельвин [M.Vladimirova, D.Scalbert, M.S.Kuznetsova and K.V.Kavokin, “Electron-induced nuclear magnetic ordering in n-type semiconductors” Physical Review B 103, 205207 (2021)]. Экспериментальное наблюдение таких структур является нашей приоритетной задачей. В наших экспериментах для охлаждения ЯСС мы используем метод оптического охлаждения с последующим адиабатическим размагничиванием. Известно, что квадрупольные взаимодействия в образце приводят к увеличению локального ядерного поля и, как следствие, к увеличению минимальной возможной спиновой температуры, которую можно достичь в экспериментах по адиабатическому размагничиванию. Поэтому исследование и контроль квадрупольных взаимодействий принципиально важны для достижения сверхнизких ядерных спиновых температур. Нами разработан метод исследования спектра состояний ядерной спиновой системы (ЯСС) в слабых магнитных полях (в том числе в нулевом поле) путём измерения скорости отогрева охлаждённой ЯСС переменным магнитным полем. Применение этого метода к простейшей системе – объемному слою эпитаксиального n-GaAs позволило измерить квадрупольные расщепления ядер мышьяка и изотопов галлия, вызванные слабыми остаточными деформациями. Эти данные указывают на необходимость уточнения известных из литературы компонент градиенто-эластического тензора для мышьяка в GaAs. Планируется провести аналогичные эксперименты на структурах с заранее известными параметрами тензора деформации и исследовать влияние квадрупольной структуры ядер на процессы охлаждения и спин-решёточной релаксации ядер.


В рамках направления «магнитная ориентация птиц» будет проведено исследование частотного спектра эффекта подавления работы магнитного компаса перелётных птиц слабыми радиочастотными магнитными полями с целью уточнения молекулярного механизма компасной магниторецепции. Также совместно с биологами ИЭФБ им. Сеченова будут проведены эксперименты по детектированию отклика сетчатки глаз лягушки на магнитное поле методом оптического кальциевого имиджинга.
Короткий заголовокGZ-2022
АкронимLab_2016 - 7
СтатусАктивный
Действительная дата начала/окончания1/01/2231/12/22

Ключевые слова

  • спектроскопия
  • поляритоны
  • оптика
  • взаимодействие света с веществом
  • спиновые состояния
  • терагерцы