Захарченя Б.П., Майер Ф., Оптическая ориентация

Подождите немного. Документ загружается.

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А. Ф. ИОФФЕ

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ

О КОНДЕНСИРОВАННЫХ

СРЕДАХ

Главные редакторы серии:

В. М. АГРАНОВИЧ (Москва, СССР)

А. А. МАРАДУДИН (Ирвайн, Калифорния, США)

Консультативный совет серии:

Ф. АБЕЛЕС (Париж, Франция)

Н. БЛОМБЕРГЕН (Кембридж, США)

Е. БУРШТЕЙН (Филадельфия, США)

М. Д. ГАЛАНИН (Москва, СССР)

В. Л. ГИНЗБУРГ (Москва, СССР)

И. П. ПЛАТОВА (Ленинград, СССР)

А. А. КАПЛЯНСКИЙ (Ленинград, СССР)

Л. В. КЕЛДЫШ (Москва, СССР)

Р. КУБО (Токио, Япония)

Р. ЛОУДОН (Колчестер, Великобритания)

А. М. ПРОХОРОВ (Москва, СССР)

К. К. РЕБАНЕ (Таллинн, СССР)

И. Л. ФАБЕЛИНСКИЙ (Москва, СССР)

X. ХАКЕН (Штутгарт, ФРГ)

Р. М. ХОХШТРАССЕР (Филадельфия, США)

ОПТИЧЕСКАЯ

ОРИЕНТАЦИЯ

Под редакцией

Б. II. ЗАХАРЧЕНИ (Ленинград, СССР),

Φ. ΜΑЙΕΡΑ (Цюрих, Швейцария)

ЛЕНИНГРАД

«НАУКА»

ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

1989

УДК 587.632

Оптическая ориентация. — Л.: Наука, 1989. — 408 с.

В книге излагаются физические аспекты оптической ори-

ентации электронных и ядерных спинов в полупроводниках.

Рассмотрение теории ориентации сцпнов светом сопровожда-

ется изложением результатов экспериментальных исследо-

ваний данного явления методами поляризованной люмине-

сценции, электронного и ядерного парамагнитных резонан-

сов, динамической поляризации ядер, выстраивания электрон-

ных моментов. Большое внимание уделяется анализу поля-

ризации и энергетического распределения ориентированных

светом фотоэлектронов, эмитированных пз кристаллов,

а также нелинейным эффэктам и другим явлениям, не име-

ющим аналогов при оптической ориентации в газах.

Книга предназначена для специалистов в области физики

полупроводников и твердого тела, а также может служить

методическим пособием для студентов и аспирантов, изучаю-

щих физику полупроводников.

Рецензенты:

Э. И. РАШБА, А. А. КАПЛЯНСКИЙ

Переводчик

Е. Л. ИВЧЕНКО (главы 6-11)

ISBN 5-02-024533-Х

О СКОЛЬКО ИХ НА ПОЛЯХ!

НО КАЖДЫЙ ЦВЕТЕТ ПО-СВОЕМУ -

В ЭТОМ ВЫСШИЙ ПОДВИГ ЦВЕТКА!

Мацуо Басе (1844—1694)

ПРЕДИСЛОВИЕ К СЕРИИ

Издание «Современные проблемы науки о конденсиро-

ванных средах» задумано как серия монографий, посвященных

науке о конденсированных средах, которую публикуют изда-

тельства «Норс Холланд компани» и «Наука». Эта обширная

область физики в настоящее время бурно прогрессирует,

а полученные в ее рамках многочисленные результаты в зна-

чительной мере определяют лицо современной науки. Есте-

ственно, что отразить ее важнейшие успехи и тенденции раз-

вития под силу лишь международному коллективу авторов.

В работе над данной серией принимают участие советские

и западные ученые, и поэтому каждая коллективная моногра-

фия имеет двух редакторов.

Идея серии и представления о ее нынешней структуре

родились в ходе дискуссий, происходивших в СССР и США

во время встреч бывшего президента «Норс-Холланд компани»

доктора В. X. Виммерса с главными редакторами серии. По-

видимому, главным итогом этих дискуссий следует считать

не только создание серии монографий, способной стать своеоб-

разной энциклопедией, но и возникновение довольно интересной

и плодотворной формы сотрудничества ученых разных стран.

Это обстоятельство является также существенным, поскольку,

по нашему глубокому убеждению, международное сотрудни-

чество как в области науки и искусства, так и в других полез-

ных сферах человеческой деятельности содействует созданию

климата доверия и мира.

В. М. Агранович, А. А. Марадудин

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Выход в свет русского издания коллективной монографии

«Оптическая ориентация» доставляет нам глубокое удовлетво-

рение. Это сделает единственную пока в мировой литературе

монографию по этой теме доступной широкому кругу совет-

ских читателей.

Поскольку издание монографии на английском языке

вышло еще в 1984 г., ряд статей был специально переработан

для советского издания с тем, чтобы отразить последние до-

стижения в соответствующих направлениях исследований.

Последнее относится лишь к статьям советских авторов. Пере-

вод статей зарубежных авторов выполнен без изменений по

изданию на английском языке. Мы признательны Е. Л. Ив-

ченко, выполнившему эти переводы.

Б. П. Захарченя, Ф. Майер

ПРЕДИСЛОВИЕ К АНГЛИЙСКОМУ ИЗДАНИЮ

Монография представляет собой первый подробный обзор

исследований по оптической ориентации в полупроводниках,

выполненных за последние 15 лет учеными Франции, СССР,

США и Швейцарии.

История возникновения и развития исследований по опти-

ческой ориентации электронных и ядерных спинов в полупро-

водниках в достаточном объеме изложена во вводных главах

книги, поэтому в предисловии мы не будем останавливаться

на этом вопросе.

Монография состоит из двух частей.

В первой части излагаются результаты исследований эф-

фекта оптической ориентации и выстраивания электронов и

экситонов, а также исследования по оптической поляризации

ядер, возникающей вследствие сверхтонкого взаимодействия

ориентированных электронов с ядрами кристаллической ре-

шетки.

Ко второй части относятся исследования по изучению опти-

чески ориентированных фотоэлектронов, эмитированных из

кристаллов.

Комментируя первую часть, следует подчеркнуть следую-

щее обстоятельство: многие эффекты, наблюдаемые при опти-

ческой поляризации в полупроводниках, по своей физической

природе весьма близки к явлениям, обнаруженным при опти-

ческой накачке в газах. Вместе с тем в системе сильно свя-

занных электронных и ядерных спинов, ориентированных

светом, наблюдаются эффекты, не имеющие аналогов в опти-

ческой накачке газов. Особенно ярко они проявляются в очень

слабых внешних полях. Подробнее этот вопрос рассмотрен

в нескольких главах монографии. Однако указанное обстоя-

тельство важно, поэтому мы упоминаем о нем в самом начале

книги.

Хотя в первых опытах Лампеля в 1968 г. оптическая ориен-

тация в кремнии была зарегистрирована обычной техникой

ЯМР, основным методом детектирования спиновой ориентации

при оптической накачке в полупроводниках стало изучение

Предисловие к английскому изданию

степени поляризации рекомбинационного излучения. Этот ме-

тод впервые был успешно продемонстрирован Парсонсом.

Метод оптической ориентации вместе с оптическим детек-

тированием поляризованных электронов, экситонов и дырок

позволил измерить с большой точностью ряд параметров

зонной структуры, изучить процессы в системе свободных

носителей и экситонов, протекающие за пикосекундные вре-

мена. Исследования по оптической ориентации привели к со-

зданию чувствительных способов оптического детектирования

магнитных резонансов. Это позволило наблюдать резонансы

в малых объемах вещества, например в очень тонких эпитак-

сиальных пленках полупроводников. Именно этим способом

наблюдались резонансы, детектирование которых классическими

методами затруднено или невозможно (квадрупольные и много-

квантовые резонансы, многоспиновые резонансы).

Метод оптического детектирования применим лишь в тех

случаях, когда время жизни возбужденных светом электронов

меньше времени их спиновой релаксации. По этой причине

этот метод пока не удалось использовать для непрямых полу-

проводников, например для кремния. Для детектирования

оптической поляризации в кремнии применяется обычная

техника ЯМР. Оказалось, что в специально легированном

кремнии сигнал ядерного резонанса оптически поляризован-

ных ядер в сотни раз больше, чем наблюдавшийся в экспери-

ментах 1968 г. Это позволило развить исследования по опти-

ческой поляризации в кремнии и накопить обширную инфор-

мацию о процессах спиновой релаксации ядер с учетом их

спиновой диффузии в полупроводниках с однородным и неодно-

родным распределением примесей и дефектов. К сожалению,

обзор этих работ не вошел в настоящую книгу. Во вводной

главе Переля и Захарчени содержится лишь краткое их ре-

зюме.

Следует упомянуть также об эксперименте Власенко, Флей-

шера и Заварицкого, которым удалось с помощью квантового

интерферометра SQUID зарегистрировать сигнал ядерной по-

ляризации оптически ориентированных ядер в кремнии. По-

скольку этот эксперимент был выполнен недавно, он также

не вошел в книгу.

Во второй части книги рассматривается применение метода

оптической ориентации спинов в экспериментах по фотоэмиссии

электронов. Сохранение преимущественной ориентации спи-

нов электронов при выходе их из кристалла и возможность

ее экспериментального измерения были показаны еще в 1968 г.

Зигманом с сотрудниками. Однако несмотря на интенсивное

Предисловше к английскому изданию

в то время развитие исследований по спектроскопии эмитиро-

ванных электронов подобные эксперименты несколько лет

ставились только отдельными исследовательскими группами.

Первые эксперименты по фотоэмиссии поляризованных элек-

тронов относились исключительно к магнитным материалам,

в которых поляризация спинов электронов имеет место уже

в основном состоянии системы. Среди заметных успехов, полу-

ченных с помощью нового метода, можно отметить, например,

обнаружение отрицательной поляризации спинов у электронов

вблизи поверхности Ферми в никеле. Значительное расшире-

ние работ по исследованию фотоэмиссии поляризованных

электронов начинается с 1974 г., когда была показана возмож-

ность эмиссии высокополяризованных электронов также из

материалов, не обладающих упорядочением электронных спи-

нов в невозбужденном состоянии. В таких материалах поля-

ризация спинов достигается в результате оптического возбуж-

дения, т. е. с помощью метода оптической ориентации спинов.

Оптически ориентированные фотоэлектроны были впервые

получены в экспериментах с кристаллами GaAs, правда, уже

после того как эффективность метода оптической ориентации

в твердом теле была показана другими методами. Эти экспе-

рименты имели весьма заметное влияние на развитие всей

спектроскопии эмитированных электронов, так как обогатили

исследователей новым, очень эффективным источником поляри-

зованных электронов. Применение пучков поляризованных

электронов в атомной физике, физике твердого тела и физике

высоких энергий рассматривается в главе Пирса и Челотты.

Хотя полезность GaAs-источника поляризованных электронов

была продемонстрирована на целом ряде примеров, все же

существует важная проблема замены его устройством, которое

давало бы не 50-процентно, а полностью поляризованный пучок

электронов (с одинаковой ориентацией спинов всех электронов)

без ухудшения других его важных свойств — высокой интен-

сивности и возможности смены знака поляризации.

Вскоре после того, как фотоэлектроны были оптически

ориентированы в GaAs, стало ясно, что этот метод обладает

огромным потенциалом и как средство проведения чисто спек-

троскопических исследований. Как будет показано в главах

Волеке и Борштеля, а также Майера и Песиа, поляризация

фотоэлектронов, возбуждаемых в конкретных переходах, опре-

деляется просто симметрией электронных состояний, участвую-

щих в переходе. При наблюдении переходов из начальных

состояний с близкими энергиями (например, d-зон в переходных

металлах) знак поляризации уже сам по себе может быть

Предисловие к английскому изданию

очень полезен для определения симметрии состояний. Увели-

чение разрешения по сравнению с обычными методиками может

быть достигнуто и в часто встречающемся случае, когда два

соседних перехода обладают поляризациями противополож-

ных знаков. Чувствительность поляризационных спектров

к расположению атомов на поверхности не была использована

пока вовсе, например, для наблюдения структурных фазовых

переходов или геометрии адсорбции. Возможно, наиболее

важное применение оптической ориентации спинов состоит

в экспериментальном определении гибридизации энергети-

ческих зон. Это важное свойство электронных состояний,

которое обычно не удается установить из измерений просто

энергетического или углового распределений фотоэмитиро-

ванных электронов.

Представляется, что в настоящее время механизм опти-

ческой ориентации спинов уже достаточно хорошо понят.

Задачей дальнейших работ является максимальное исполь-

зование богатых возможностей этого все еще нового метода.

Ф. Майер, Б. П. Захарченя