В отчетном году в лаборатории выполнялись научные исследования по следующим основным направлениям: 1) Спектроскопия поляритонов в гетероструктурах с микрорезонаторами. 2) Электронно-ядерная спиновая динамика в объемных полупроводниках и наноструктурах. 3) Спектроскопия спиновых шумов. 4) Экситонная спектроскопия. 5) Четырехволновое смешение и фотонное эхо. 6) Спиновая динамика в полупроводниковых наноструктурах. 7) Магнитная ориентация птиц. Научные исследования поддержаны СПбГУ в рамках проекта 73031758, а также финансированием из 13 грантов, в том числе 8 грантов РФФИ, 4 гранта РНФ и грант Базис (список грантов прилагается). На момент представления отчета (19.11.2021) сотрудниками лаборатории опубликовано 27 научных статей (включая статьи, принятые к печати), а также подано в печать еще 6 статей. Список статей прилагается. Значительная часть (16) статей опубликована в журналах с высоким импакт-фактором (квартиль Q1). В частности, опубликована 1 статья в журнале Nature Materials (IF= 43,84), 1 статья в журнале Nano Letters (IF = 11.24), 1 статья в npj Quantum Inf (IF = 7,39), 1 статья в журнале 2D Materials (IF = 7.1). Благодарность на поддержку СПбГУ в рамках проекта 73031758 указана в 22 статьях, в том числе в 15 статьях, опубликованных в журналах квартили Q1. Список статей прилагается.
В ходе выполнения работ по 6-му этапу проекта были получены следующие основные результаты:
По направлению (1) «Спектроскопия поляритонов в гетероструктурах с микрорезонаторами» получены следующие научные результаты.
1. Методами ближнепольной оптической интерферометрии люминесценции конденсата было экспериментально продемонстрирована возможность задания в кольцевом токе экситон-поляритонного конденсата слабой связи в полупроводниковом микрорезонаторе на основе AlGaAs в форме цилиндрического пиллара.
2. Экспериментально получены сверхтекучие токовые состояния в двухкольцевом экситон-поляритонном конденсате различной направленности и обладающие различными угловыми орбитальными моментами.
3. В двухкольцевом поляритонном конденсате обнаружены токовые состояния характеризуемые скачком фазы волновой функции конденсата на ±π радиан.
4. Экспериментально продемонстрировано формирование конденсата в пороговом росте интенсивности люминесценции в двумерных материалах на основе дихалкогенидов переходных металлов.
5. Была создана структура, демонстрирующая сильную связь экситонов в монослое MoSe2 и фотонной моды микрорезонатора AlGaAs/AlAs.
6. Было экспериментально продемонстрировано снятие междолинного вырождения и существенная поляризуемость поляритонного конденсата в присутствии внешнего магнитного поля продемонстрировано.
7. Было теоретически исследовано формирование полигональной стрктуры высвечивания экситон-поляритонного конденсата благодаря совместному действию спин-орбитального взаимодействия и пространственного ограничения оптической моды
По направлению (2) «Электронно-ядерная спиновая динамика в объемных полупроводниках и наноструктурах» получены следующие научные результаты.
1. Было показано, что используя сильную обратную связь в электронно-ядерной спиновой системе, можно привести неоднородный ансамбль электронных спинов в состояние с одночастотной ларморовской прецессии в поперечном магнитном поле.
2. Была обнаружена дискретизация полного магнитного поля, действующего на ансамбль спинов электронов.
3. Было продемонстрировано уменьшение поля ядерных спиновых флуктуаций, что приводит к замедлению дефазировки электронного спина.
4. Была экспериментально получена величина ядерного поля для каждой из величин поддерживающего поля после адиабатического размагничивания.
5. Были определены величины локального поля:
6. Была получена минимальная величина ядерной спиновой температуры, достигнутой в результате адиабатического размагничивания в поле b=0.
7. Был выполнен расчет спин-спинового вклада в локальное поле.
8. Экспериментально установлено, что величина локального поля зависит от направления внешнего магнитного поля по отношению к кристаллическим осям.
9. Была получена зависимость времен электронной спиновой релаксации от мощности.
10. Была построена последовательная теория ядерного спинового упорядочения, индуцированного локализованными электронами.
По направлению (3) «Спектроскопия спиновых шумов» получены следующие научные результаты.
1. Было обнаружено, что характер светоиндуцированного уширения спин-шумового резонанса радикальным образом различается на различных склонах оптического перехода и, в общем случае, зависит немонотонным образом от плотности мощности лазерного луча.
2. Было установлено, что уширение спин-шумового резонанса существенным образом зависит от соотношения между скоростями возбуждения и релаксации когерентности состояний.
3. Был выполнен расчет шумов фарадеевского вращения и эллиптичности атомных паров во внешнем магнитном поле в приближении однократного рассеяния.
4. Было показано, что шумы фарадеевского вращения атомных паров представляют собой результат гетеродинирования зондирующего пучка и излучения, возникшего в результате рассеяния этого пучка средой с флуктуирующей оптической восприимчивостью.
5. Было получено общее выражение для наблюдаемой в спектроскопии спинового шума корреляционной функции поляризационного шума, в котором учитываются пролетные эффекты и диффузия в атомных парах, а также спиновая релаксация.
6. Было установлено, что в изотропных кристаллах с анизотропными примесными центрами сумма квадратов частот магнитного резонанса (ЭПР) инвариантна относительно направления магнитного поля.
7. Было экспериментально установлена и теоретически обоснована возможность наблюдения флуктуационных поляризационных сигналов от центров в анизотропных кристаллах.
8. Был экспериментально продемонстрирован отклик системы, амплитуда которого более чем на 1-2 порядка превосходила спонтанные сигналы, несмотря на то, что амплитуда модуляции при этом составляла не более 0.5%.
По направлению (4) «Экситонная спектроскопия» получены следующие научные результаты.
1. Экспериментально исследованы спектры экситонного отражения от гетероструктуры с квантовой ямой с дополнительной подсветкой в резонанс легкого экситона с различной мощностью накачки.
2. Был проведен анализ спектров в рамках стандартной модели диэлектрического отклика и определены все параметры экситонных резонансов.
3. Было установлено, что нерадиационное уширение определяется, в основном, взаимодействием излучающих экситонов с неизлучающими экситонами с волновым вектором, превышающим волновой вектор света.
4. Было определено время жизни неизлучающих экситонов.
5. Было экспериментально изучена сильная сублинейная зависимость нерадиационного уширения от мощности накачки.
6. Была экспериментально исследована динамика резервуара темных экситонов в квантовой яме.
7. Была определена населенность резервуара темных экситонов.
8. Было продемонстрировано опустошение резервуара темных экситонов при увеличении непрерывной накачки.
9. Были выполнены теоретические исследования влияния внешнего электрического поля на состояния экситона в широкой квантовой яме.
10. Была проанализирована зависимость свето-экситонного взаимодействия от внешнего электрического поля для квантовых ям различной ширины.
11. Было показано, что электрическое поле приводит к уменьшению взаимодействия экситона со светом.
12. Был проанализирован эффект инверсии спектральных осцилляций размерного квантования экситона.
По направлению (5) «Четырехволновое смешение и фотонное эхо» получены следующие научные результаты.
1. Экспериментально показано, что существует новый режим неосциллирующего фотонного эха от экситонов в поперечном магнитном поле, наблюдаемый при наличии неравных скоростей потери когерентности светлых и темных состояний.
2. Было показано, что эффект долгоживущей компоненты сигнала наблюдается из-за различных скоростей потери когерентности темных и светлых экситонов.
3. Было проведено исследование спиновой динамики резидентных носителей в квантовых точках в поле ядерных спиновых флуктуаций методами ФЭ.
4. Была разработана модель описывающая проявление прецессии электронного спина в поле произвольно направленной ядерной спиновой флуктуации. Было продемонстрировано, что даже в нулевом внешнем магнитном поле, наблюдаются осцилляции сигнала, которые связаны с проявлением ядерных флуктуаций.
5. Было выявлено существование большого g фактора в плоскости для тяжелых дырок в симметричных сильно отожжённых (In,Ga)As/GaAs квантовых точках. Так же было показано, что большой g фактор связан с высокой симметрией квантовых точек.
6. Был продемонстрирован эффект искривления зон, который проявляется в уникальной угловой зависимости сигнала трионного фотонного эха от направления внешнего магнитного поля относительно осей образца.
7. Было обнаружено, что ненулевой g фактор дырки в плоскости не обязательно указывает на низкую симметрию квантовых точек.
8. Была показана однородность направлений собственных поляризаций в ансамбле квантовых точек.
По направлению (6) «Спиновая динамика в полупроводниковых наноструктурах» получены следующие научные результаты.
1. Был проведен теоретический анализ свето-экситонного взаимодействия в гетероструктуре со связанными квантовыми ямами, к которой приложены электрическое и магнитное поля вдоль ростовой оси структуры.
2. Была экспериментально изучена зависимость нерадиационных ширин уровней энергии квазисвязанных состояний от номера квантово-размерного состояния и ширины квантовой ямы полупроводника на основе GaAs.
3. Было определено, что ширины квазисвязанных состояний, отвечающих второму квантово-размерному уровню электрона в квантовой яме пренебрежимо малы.
По направлению (7) «Магнитная ориентация птиц» получены следующие научные результаты.
1. Были выполнены исследования магнитной компасной ориентации дальнего мигранта – мухоловки-пеструшки Ficedula hypoleica.
2. Впервые для данного вида птиц было исследовано влияние высокочастотных осциллирующих магнитных полей на работу магнитного компаса.
3. Было обнаружено, что мухоловка-пеструшка демонстрирует способность к ориентации по геомагнитному полю в экспериментах в круглых аренах при отсутствии доступа к астроориентирам.