к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Оптическая ориентация в полупроводниках

Оптическая ориентация в полупроводниках - возникновение преимуществ. направления спинов генерируемых носителей зарядов и взаимодействующих с ними ядерных спинов при освещении полупроводника циркулярно поляризов. светом. При правой поляризации спины ориентируются противоположно световому лучу, при левой - вдоль него. О. о. впервые обнаружена Ж. Лампелем (J. Lampel, 1968), теория создана В. И. Перелем и М. И. Дьяконовым (1971). О. о. обусловлена передачей угл. момента цпр-кулярно поляризов. фотонов носителям заряда и ядрам. Спиновая ориентация носителей возникает в результате спин-орбитального взаимодействия. Ядерные спины ориентируются за счёт сверхтонкого взаимодействия о фотовозбуждёнными ориентиров. электронами (см. Оверхацзера эффект). Кристаллич. анизотропия и коллективный характер взаимодействия электронных и ядерных спинов определяют существенное отличие О. о. в полупроводниках от оптической ориентации парамагн. атомов газа.
15018-4.jpg

Рис. 1. Схема оптических переходов под действием правоциркулярно поляризованного15018-5.jpg , света в кристаллах AIIIBV; указаны проекции спина на ось г.

Наиб. полно исследована О. о. спинов в Si и соединениях группы AIIIBV. На рис. 1 показана схема уровней у дна зоны проводимости15018-6.jpg и потолка валентных подзон15018-7.jpg для кристаллов AIIIBV. Зоны15018-8.jpg и15018-9.jpgобразованы вырожденными s- u р-атомными состояниями, к-рым соответствуют величины спина S = 1/2, S = 3/2, и S = 1/2 (в единицах15018-10.jpg). Каждый подуровень характеризуется проекцией спина на ось квантования, в качестве к-рой выбирается направление светового луча (ось z, рис. 2).
15018-11.jpg

Отношение интенсивностей переходов -3/2 -1/2, и -1/2 +1/2, проходящих при поглощении правополяризованных15018-12.jpg " фотонов с энергией15018-13.jpg удовлетворяющее условию15018-14.jpg (15018-15.jpg - ширина запрещённой зоны,15018-16.jpg - величина спин-орбитального расщепления валентной зоны), в соответствии с правилами отбора составляет 3:1. Это приводит к степени ориентации (Р)электронов при их рождении, равной15018-17.jpg15018-18.jpg =50%. Здесь15018-19.jpg - заселённости спиновых состояний в зоне проводимости. Средний по ансамблю спин электронов15018-20.jpg = 0,5Р = 0,25. При увеличении энергии фотона до значений15018-21.jpg15018-22.jpg +15018-23.jpg включаются переходы из отщеплённой валентной подзоны15018-24.jpg к-рые уменьшают разность заселенностей состояний зоны проводимости с S =15018-25.jpg 1/2и величину Р. Зависимость Р(15018-26.jpg)позволяет определить параметр15018-27.jpg
Трудность наблюдения О. о. в твёрдом теле заключается в её быстрой релаксации. Характерные времена спиновой релаксации для электронов15018-28.jpg ~ 10-7 - 10-10 с, а для дырок15018-29.jpg~ 10-10 - 10-13 с (что на много порядков меньше времён спиновой релаксации свободных атомов в газах). Спиновая система ядер релаксирует медленно:15018-30.jpg ~ 10-2 - 1 с в кристаллах АIIIBv и15018-31.jpg ~ 102 - 105 с в Si.
Методы обнаружения О. о. в полупроводниках базируются либо на возможности наблюдения ориентиров. носителей за времена, меньшие15018-32.jpg (метод поляризованной люминесценции), либо на наблюдения равновесной ядерной намагниченности (см. ниже), сохраняющейся длит. время (метод ядерного магнитного резонанса)и квантовой магнитометрии, использующей сквиды .Развит также метод, основанный на циркулярном фотогальваническом эффекте, в к-ром О. о. спинов приводит к появлению тока.
Метод поляризованной люминесценции основан на измерении степени15018-33.jpg циркулярной поляризации рекомбинационного излучения (люминесценции) с участием ориентированных носителей. При наблюдении люминесценции вдоль возбуждающего луча15018-34.jpg Если время жизни фотовозбуждённого неравновесного состояния15018-35.jpg то наблюдается значит. величина15018-36.jpg = (n+ - n-)/(n+ + n-), где15018-37.jpg - числа фотонов рекомбинац. излучения, поляризованных по правому и левому кругу.
При наблюдении люминесценции кристаллов AIIIBV в направлении возбуждающего луча света15018-38.jpg15018-39.jpg из-за быстрой релаксации вклад поляризации дырок пренебрежимо мал.
Наложение поперечного магн. поля (напр., вдоль оси ох) приводит к ларморовой прецессии спина и уменьшению15018-40.jpg в дополнение к его понижению вследствие рекомбинации ориентиров. электронов и их спиновой релаксации. Вращение S в поперечном магн. поле Н приводит к уменьшению15018-41.jpg по закону

15018-42.jpg

где15018-43.jpg
(g - фактор спектроскопич. расщепления в магн. поле,15018-44.jpg - магнетон Бора). По внеш. проявлениям электронный эффект магн. деполяризации люминесценции аналогичен Ханле эффекту .Осн. информация об О. о. в кристаллах AIIIBV получена с помощью поляризов. люминесценции (рис. 2).

Методы ЯМР и квантовой магнитометрии. Большие времена спиновой релаксации ядер15018-45.jpg позволяют "накопить" в освещаемом полупроводнике ядерную поляризацию, на неск. порядков превышающую её термодинамически равновесное значение. Процессы О. о. электронных спинов и наблюдение её результатов разделены во времени. Созданную путём освещения в слабом магн. иоле ядерную поляризацию измеряют с помощью ЯМР-спектрометра или сквида. Этот метод эффективен для чистого Si, в к-ром наблюдение поляризации люминесценции при О. о. затруднено из-за соотношения15018-46.jpg Отказ от регистрации люминесценции позволяет использовать непрямые оптич. переходы с малыми квантовым выходом и коэф. поглощения. Это обеспечивает поляризацию ядерных спинов в объёме образца.
Фотогальванический метод основан на эффекте асимметричного рассеяния ориентированных по спину электронов относительно плоскости, содержащей их спин и импульс р. Эдс возникает за счёт асимметричного рассеяния. Изменение внеш. магн. поля, "разворачивающего" вектор15018-47.jpg относительно импульса р электрона, позволяет варьировать и наблюдать фототок, пропорц.15018-48.jpg обусловленный О. о.

Применение. Методом О. о. в полупроводнике исследуются кинетич. и релаксац. явления, параметры зонной структуры, дефекты кристаллич. структуры. Деполяризация рекомбинац. излучения в магн. поле, наблюдаемая в AIIIBV, даёт информацию о механизмах рекомбинации и спиновой релаксации носителей. Для полупроводников характерны специфич. типы спиновой релаксации: при низких темп-pax существенны обмен спином с быстро релаксирующей дыркой (механизм Бира - Аронова - Пикуса), при комнатной температуре - механизм Дьяконова - Переля, обусловленный снятием спинового вырождения зон в кристаллах без центра инверсии.
Спиновая "метка" фотовозбуждённых электронов, двигающихся через области переменного состава в варизонных полупроводниках и полупроводниковых структурах, позволяет изучать диффузию и подвижность перавновесных носителей, исследовать процесс переизлучения. Параметры зонной структуры исследуются по зависимости степени поляризации люминесценции или эмитируемых в вакуум электронов от энергии квантов возбуждающего света.
О. о. электронов в кристаллах используется для получения интенсивных поляризов. пучков свободных электронов, т. к. при спец. обработке поверхности кристаллов в высоком вакууме удаётся достичь отрицат. электронного сродства и обеспечить высокий квантовый выход фотоэлектронной эмиссии.

О. о. ядерных спинов. Наиб. эффективно ядерная поляризация осуществляется за счёт сверхтонкого взаимодействия электронов, локализованных на донорной примеси, причём для мелких уровней электроны взаимодействуют с большим числом ядер (напр., 105 для GaAs). При этом действующее на электрон ср. суммарное поле всех ядер (Ня), находящихся в области локализации этого электрона, даже при незначит. степени поляризации ядер (Ря)может быть большим (в GaAs Ня достигает десятков кЭ). Одновременно на каждое ядро со стороны ориентиров. электронов действует флуктуирующее во времени (из-за рекомбинации и спиновой релаксации) поле электронов, ср. величина к-рого Нэ пропорц.15018-49.jpg, и при полной поляризации электронов (15018-50.jpg = 1/2) измеряется десятками Э. В результате в электронно-ядерной спин-системе в условиях О. о. действует внутр. обратная связь, т. к. величина15018-51.jpg определяется суммарным полем Ня + Н (Н - внеш. поле), а величина Ня в свою очередь зависит от15018-52.jpg (рис. 3, а).

15018-53.jpg

Рис. 3. Нелинейность поляризации электронно-ядерной спин-системы (ЭЯСС) полупроводника в условиях оптической ориентации: а - схема внутренней обратной связи в ЭЯСС; б - бистабильность поляризации ЭЯСС кристалла Al0,24Ga0,76As при Т = 77 К и угле j = 3° между Н и осью (110) кристалла, возбуждаемого светом вдоль оси (100); в - неустойчивость поляризации ЭЯСС при15018-54.jpg = 6° (1) и15018-55.jpg= 9,5° (2).

Поведение электронно-ядерной спин-системы в условиях О. о. описывается системой связанных нелинейных ур-ний. При определённой пространственной структуре поля Ня есть области решений, где поляризация электронов и ядер бистабильна (рис. 3, б), а также решение, к-рое неустойчиво, что соответствует возникновению незатухающих колебаний (рис. 3, в). Бистабильность и неустойчивость поляризации люминесценции наблюдались при О. о. в твёрдых растворах AlхGa1-хAs, в к-рых существенную роль играет локальное нарушение кубич. симметрии, вызванное частичным замещением атомов Ga на Аl. Период незатухающих колебаний r в зависимости от внеш. условий изменялся в диапазоне 10 - 50 с. Нелинейные эффекты - следствие коллективного характера электронно-ядерных взаимодействий при О. о. Они наблюдались в диапазоне Н ~ 0,1 - 1000 Э.

Оптическое охлаждение ядерной спин-системы (ЯСС). Энергетич. состояние ЯСС характеризуется спиновой температурой15018-56.jpg, которая определяется спин-спиновым взаимодействием ядер. Это взаимодействие значительно сильнее спин-решёточного, характеризующего обмен энергий между ЯСС и решёткой, что обеспечивает возможность достижения значений15018-57.jpg, на неск. порядков меньше температуры решётки Т. Изменение ориентации ядер, вызванное взаимодействием с оптически ориентиров. электронами, сопровождается изменением энергии ядерных спинов в их локальном поле Нл, созданном на данном ядре всеми остальными ядрами. Согласно теории:

15018-58.jpg

где I и15018-59.jpg - спин и магн. момент ядра. Мерой15018-60.jpg в поле Н служит ср. спин-ядер:

15018-61.jpg

(Ня пропорц.15018-62.jpg). После выключения поля Н поляризация ядер исчезает15018-63.jpg и величина15018-64.jpg не может быть измерена непосредственно. Однако, т. к. спин-решёточная связь мала, состояние с уменьшенной величиной15018-65.jpg, соответствующее уменьшению числа возможных спиновых конфигурации, сохраняется в течение длит. времени Тя. Если включить через время t < Тя измерительное поле15018-66.jpg то поляризация ядер вдоль Низм вызывает деполяризацию люминесценции в течение времени релаксации ЯСС.
При оптпч. охлаждении ЯСС в кристаллах AIIIBV достигнуты15018-67.jpg ~ 1 - 5 х 10-6 К. а для магниторазбавленной системы ядер 29Si (4%) в кремнии получены15018-68.jpg ~ 10-4 - 10-5 К.
Оптич. охлаждение ядер возможно также и в поле ориентиров. электронов Нэ, если Н = 0 или15018-69.jpg В последнем случае поляризация ядер вдоль Н может усиливать или ослаблять деполяризующее действие Н в зависимости от взаимной ориентации Н и Ня. На рис. 4 показана кривая15018-70.jpg для кристалла AlGaAs, в к-ром Ня15018-71.jpgН. При Н = Ня действие поля компенсируется и величина r(Н) восстанавливается до значения15018-72.jpg (0). Пунктир - зависимость15018-73.jpg(Н) для электронов при Ня =0. Действие света имеет следствием охлаждение ЯСС, а поляризация ядер возникает в результате установления термодинамич. равновесия во внеш. поле в условиях низкой спиновой температуры.

15018-74.jpg

Рис. 4. Магнитная деполяризация люминесценции кристалла Alo,24Ga0,76As при Т = 77 К и15018-75.jpg=45°; при Н=НЯ15018-76.jpg

Оптическое детектирование парамагнитного резонанса. В условиях накопления поляризации ядер на электронные спины кроме внеш. поля действует эффективное поле ядер Ня, что влияет на вид зависимостей15018-77.jpg (Н) и позволяет оптически детектировать ЯМР в малых объёмах (~10-7 см3) при поглощении спета в приповерхностном слое с толщиной меньше 1 мкм. Значит. поляризация ядер, к-рая может быть получена в условиях оптич. охлаждения их спин-системы, позволяет обнаружить ЯМР в слабых внеш. магн. полях. Уменьшение Ня в результате деполяризации ядер в условиях резонанса приводит к изменению поляризации люминесценции, что и делает возможным оптич. детектирование ЯМР. При этом удаётся наблюдать резонансные переходы с одноврем. переворотом спинов как в одной, так и в разных подрешётках кристалла (рис. 5).
В условиях О. о. ядерный резонанс можно возбудить без внеш. магн. поля Н, если промодулировать поляризацию или интенсивность возбуждающего света с частотой вблизи частоты ларморовой прецессии ядерных спинов в поле15018-78.jpg В этом случае роль внеш. поля Н играет осциллирующее поле электронов Нэ.
Оптич. детектирование электронного парамагн. резонанса (ЭПР) основано на уменьшении созданной светом разности заселённостей подуровней15018-79.jpg1/2 в зоне проводимости под действием переменного поля15018-80.jpgс частотой ЭПР. Уменьшение поляризации люминесценции в условиях ЭПР позволяет регистрировать резонанс при малой концентрации неравновесных электронов. Так были определены g -факторы ряда полупроводников, для к-рых обычная техника ЭПР была неэффективной.

15018-81.jpg

Рис. 5. Спектр ЯМР в кристалле GaAs при Т = 1,9 К и разных амплитудах переменного магнитного поля (рис. 2): а - одно-спиновый резонанс (15018-82.jpg ~ 0,16 Э), б - одно- и двухспиновые (15018-83.jpg~ 1,6 Э), в - двух- и трёхспиновые (15018-84.jpg~ 9,6 Э).

Спиновая ориентация горячих электронов. Корреляция между ориентациями спинов и импульсов электронов в момент их возбуждения в кристаллах AIIIBV приводит к возрастанию степени циркулярной поляризации "горячей" люминесценции, наблюдаемой на КВ-краю линии рекомбинац. излучения15018-85.jpg Продольное (относительно возбуждающего луча) магн. поле Н нарушает корреляцию спина и импульса электронов из-за различия циклотронной частоты, характеризующей изменение импульса, и ларморовой частоты прецессии спина. Это приводит к необычному изменению циркулярной поляризации люминесценции в продольном магн. поле - величина15018-86.jpg уменьшается. Анализ зависимостей15018-87.jpg позволяет изучать в стационарных условиях быстропротекающие процессы импульсной релаксации с характерными временами15018-88.jpg

Литература по оптической ориентации в полупроводниках

  1. Дьяконов М. И. и др., Ориентация лектронных спинов в полупроводниках, "УФЫ", 1971, т. 105, с. 772;
  2. 3ахарченя Б. П. и др., Спектр и поляризация фотолюминесценции горячих электронов в полупроводниках, "УФН", 1982, т. 136, с. 459;
  3. Оптическая ориентация, под ред. Б. П. Захарчени и Ф. Манера, М. - Л., 1990.

В. Г. Флейшер

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

(время поиска примерно 20 секунд)

Знаете ли Вы, что "тёмная материя" - такая же фикция, как черная кошка в темной комнате. Это не физическая реальность, но фокус, подмена.
Реально идет речь о том, что релятивистские формулы не соответствуют астрономическим наблюдениям, давая на порядок и более меньшую массу и меньшую энергию. Отсюда сделан фокуснический вывод, что есть "темная материя" и "темная энергия", но не вывод, что релятивистские формулы не соответствуют реалиям. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 13.06.2019 - 05:11: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМА ГЛОБАЛЬНОЙ ГИБЕЛИ ПЧЁЛ И ДРУГИХ ОПЫЛИТЕЛЕЙ РАСТЕНИЙ - Карим_Хайдаров.
12.06.2019 - 09:05: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 18:05: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ФИЗИКА - Experimental Physics -> Эксперименты Сёрла и его последователей с магнитами - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 18:03: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Маклакова - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 13:23: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вячеслава Осиевского - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 13:18: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Светланы Вислобоковой - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 06:28: АСТРОФИЗИКА - Astrophysics -> К 110 летию Тунгуской катастрофы - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 21:23: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Владимира Васильевича Квачкова - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:27: СОВЕСТЬ - Conscience -> Высший разум - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:24: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:14: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 08:40: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution