Details

Целью данной работы было исследование особенностей оптической ориентации и выстраивания экситонов в непрямозонных квантовых точках (In,Al)As/AlAs в магнитном поле. Изучение квантовых точек является актуальной и перспективной задачей, так как квантовые точки представляют большой интерес в качестве объектов с большими временами жизни спинов электронов и дырок, что характеризует их как перспективные структуры для применения в квантовых вычислениях. Помимо этого, квантовые точки являются важными материалами в области фотоники и спинтроники, благодаря своим возможностям в создании эффективных источников света, детекторов и других устройств. Изучаемый образец представлял собой непрямозонные в импульсном пространстве самоорганизованные квантовые точки (In,Al)As, встроенные в матрицу AlAs, выращенные на подложке GaAs, и помещался в магнитное поле, где геометрия эксперимента изменялась от геометрии Фойгта до геометрии Фарадея. Преимуществом непрямозонных квантовых точек является подавление основного механизма спиновой релаксации экситона, характерного для прямозонных квантовых точек: анизотропное обменное взаимодействие электрона и дырки оказывается слабее на несколько порядков. В ходе эксперимента были изучены зависимости степени циркулярной и линейной поляризации фотолюминесценции от магнитного поля при различных углах между направлением магнитного поля и луча лазера. Были получены зависимости степени циркулярной поляризации в пределах больших магнитных полей от угла, спектр интенсивности и степени циркулярной поляризации фотолюминесценции образца. Помимо этого, исследовался эффект оптического выстраивания в поперечном магнитном поле при различной температуре, исследовались магнитополевые зависимости деполяризации и восстановления оптической ориентации при разных длинах волн детектирования, а также сигнал фотолюминесценции с разрешением по времени. По итогу работы, было показано, что угловые зависимости оптической ориентации и выстраивания коррелируют между собой, а именно наблюдается их существенная модификация при отклонении магнитного поля от геометрии Фойгта уже на 8^о. Необычное поведение кривых может быть связано с анизотропией тяжелой дырки в экситоне: g_z=2.42± 0,05, g_x= 0,17± 0,03.  В экспериментах по исследованию эффекта оптического выстраивания наблюдался нетривиальный вид кривой, а именно двухконтурность зависимости степени линейной поляризации от магнитного поля в геометрии Фойгта, что может быть связано с наличием двух подансамблей КТ с различной асимметрией. В исследованиях по кинетике фотолюминесценции были обнаружены четыре полосы фотолюминесценции, обозначенные в согласии с предыдущими работами: I_low, I_high, S_low, S_high. Первые две соответствуют рекомбинации экситонов в непрямых квантовых точках.  Значения времени затухания люминесценции (время рекомбинации носителей) были сравнены с более ранней работой, где использовался метод нерезонансного возбуждения фотолюминесценции, в то время как в настоящей работе используется резонансное возбуждение фотолюминесценции, таким образом, селективно возбуждается подансамбль непрямозонных КТ. В итоге, полосы I_low, I_high в согласии с предыдущими данными демонстрируют длинные времена рекомбинации характерные для непрямых оптических переходов. Прояснена природа полос S_low, S_high, ранее не изученных, полосы демонстрируют короткие времена затухания люминесценции характерные для прямых переходов. Полученные в четвертой главе магнитополевые зависимости свидетельствуют о том, что происходит динамическая поляризация ядер на длине волны 714 нм, соответсвующей непрямозонным КТ, что подтверждается экспериментами с модуляцией степени циркулярной поляризации возбуждения с частотой 26.6 кГц – в таких условиях на экспериментальных кривых особенностей не наблюдается.  Результаты и выводы, приведенные в работе, могут быть использованы как для дальнейшего изучения спин-зависимых явлений в низкоразмерных структурах, так и для создания устройств, использующих спин для обработки и передачи информации.

The given work is devoted to investigate the features of optical orientation and alignment of excitons in indirect-gap quantum dots (In,Al)As/AlAs in a magnetic field. The relevance in the research of quantum dots lies in the fact that they are of great interest as objects with long lifetimes of electron and hole spins, which characterizes them as promising information carriers for being used in quantum computing. Additionally, quantum dots are important materials in the field of photonics and spintronics due to their capabilities in creating efficient light sources, detectors, and other devices. The self-assembled (In,Al)As quantum dots, which are considered in the paper are in an AlAs matrix and were grown on a GaAs substrate, and placed in a magnetic field, where the geometry of the experiment changed from Voigt geometry to Faraday geometry. The advantage of indirect-gap quantum dots is the suppression of the main mechanism of exciton spin relaxation, characteristic of direct-gap quantum dots: the anisotropic exchange interaction between the electron and hole is weaker by several orders of magnitude. In the course of the experiment, the dependences of the degree of circular and linear polarization of luminescence on the magnetic field for various values of the angle between the direction of the magnetic field and the laser beam were studied. Dependencies of the circular polarization within large fields on the angle, the spectrum of the photoluminescence intensity, and the degree of circular polarization of the sample were plotted. Additionally, the effect of optical alignment in a transverse magnetic field at different temperatures was investigated, as well as the magnetic field dependencies of depolarization and recovery of optical orientation at different detection wavelengths, along with time-resolved photoluminescence. As a result of the work, it was shown that the angular dependencies of optical orientation and alignment correlate with each other, specifically, a significant modification is observed when the magnetic field deviates from Voigt geometry by 8°. The unusual behavior of the curves may be related to the anisotropy of the heavy hole in the exciton: g_z=2.42± 0,05, g_x= 0,17± 0,03. In experiments investigating the effect of optical alignment, a non-trivial shape of the curve was observed, specifically the double contour of the dependence of the degree of linear polarization on the magnetic field in Voigt geometry, which may be associated with the presence of two sub-ensembles of quantum dots with different asymmetries. In studies of photoluminescence kinetics, four photoluminescence bands were identified, labeled in accordance with previous works: I_low, I_high, S_low, S_high. The first two correspond to the recombination of excitons in indirect band-gap quantum dots. The values of the luminescence decay time (carrier recombination time) were compared with an earlier work that used the method of non-resonant excitation of photoluminescence, while this work resonant photoluminescence excitation is used, thus, a subassembly of indirect-band photoluminescence is selectively excited. As a result, the bands I_low, I_high, in agreement with previous data, demonstrate long recombination times characteristic of indirect optical transitions. The sense of the bands S_low, S_high, previously unstudied, has been clarified; these bands exhibit short luminescence decay times characteristic of direct transitions. The magnetic field dependencies obtained in the fourth chapter indicate that dynamic nuclear polarization occurs at a wavelength of 714 nm, corresponding to indirect quantum dots, which is confirmed by experiments with modulation of the degree of circular polarization of excitation at a frequency of 26.6 kHz – under such conditions, no features are observed in the experimental curves. The results and conclusions presented in this work can be used for further studies of spin-dependent phenomena in low-dimensional structures, as well as for the creation of devices that utilize spin for processing and transmitting information.