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

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 1

ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

ПРИ ОПТИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ

В. И. Перелъ, Б, Л. Захарченя

Общие принципы оптической ориентации были установлены в ходе блестя-

щих исследований Кастлера [1] и его школы. Обзор этих исследований содер-

жится в нобелевской лекции Кастлера.

В 20-х годах в пионерских работах Вуда и Ханле было обнаружено влияние

слабого магнитного поля на поляризацию резонансной флуоресценции паров

ртути и натрия. Значение этих работ не было вполне осознано до 1949 г. В этом

году появилась работа Бросселя и Кастлера [2], положившая начало система-

тическому изучению круга явлений, сформировавших ветвь физики, которую мы

называем сейчас оптической накачкой [3, 4].

Можно сказать, что все процессы в физических системах в принципе имеют

главный источник — неодинаковость заселенности различных состояний. Есте-

ственной причиной этого неравенства в термодинамическом равновесии явля-

ется распределение Больцмана, согласно которому заселенность состояний

тем меньше, чем больше их энергия. Однако заселенность состояний, имеющих

одинаковую энергию, — вырожденных состояний — одинакова в равновесии,,

так что внешние воздействия не могут индуцировать переходы между ними.

Причиной вырождения является, как правило, симметрия, и для того чтобы

все-таки наблюдать эти переходы, необходимо снять вырождение с помощью

внешнего поля, изменяющего симметрию системы. На этом основаны классиче-

ские методы регистрации электронного и ядерного парамагнитных резонансов,

которые требуют достаточно сильных магнитных полей и низких температур,

чтобы повысить разность заселенностей подуровней до значений, определяемых

чувствительностью аппаратуры.

Расновесное распределение можно изменить, воздействуя на систему светом

узкого спектрального состава, который индуцирует переходы между уровнями,

уменьшая заселенность нижнего уровня и увеличивая верхнего. При этом име-

ются в виду уровни, энергетическое расстояние между которыми велико и их

населенности в равновесии сильно различаются. Оптическое возбуждение остав-

ляет заселенность вырожденных состояний одинаковой, если исходить только

из энергетических соображений.

Главным результатом исследований Кастлера и его сотрудников было ясное

осознание и практическая реализация того факта, что оптическое возбуждение

приводит к различной заселенности вырожденных или почти вырожденных под-

уровней, принадлежащих двум уровням, связанным оптическими переходами.

Причиной служит анизотропия оптического возбуждения, обусловленная

поперечностью электромагнитной волны. Эту анизотропию можно значительно

усилить, если применить для возбуждения поляризованный (циркулярно или

линейно) свет. На этом основан метод оптической накачки.

Эффективность метода обусловлена тем, что в большинстве случаев релакса-

ционное перемешивание между вырожденными или почти вырожденными со-

Основные физические явления при оптической ориентации 13

Выше мы упоминали о влиянии магнитного поля на поляризацию резонанс-

ной люминесценции. Исследование зависимости поляризации люминесценции

от магнитного поля (эффект Ханле) стало традиционным приемом, часто исполь-

зуемым в экспериментах по оптической накачке. Можно дать различные интер-

претации этого явления. Наиболее проста и наглядна классическая интер-

претация.

Циркулярная поляризация люминесценции обусловлена передачей углового

момента от электронов свету, поэтому степень такой поляризации пропорцио-

нальна проекции среднего спина электрона на направление наблюдения. Тогда

если возбуждение коллинеарно наблюдению, а магнитное поле перпендикулярно

этому направлению, то в стационарных условиях происходит следующее:

свет ориентирует возбужденные электроны вдоль луча, а магнитное поле раз-

ворачивает спины, так что в любой момент времени спиновое распределение

электронов в плоскости z—у имеет вид, изображенный на рис. 1.2. С увеличением

магнитного поля средняя проекция спина на ось z уменьшается, а следовательно,

падает и степень циркулярной поляризации люминесценции. Поляризация

практически исчезает, если произведение угловой скорости прецессии спина

в магнитном поле на время жизни спина становится большим. Ясно, что такие

измерения дают время жизни спина. С точки зрения квантовой теории цирку-

лярная поляризация есть результат когерентности состояний со спином, ориен-

тированным по и против поля. Когда соответствующие уровни раздвигаются на

величину, превышающую их ширину, когерентность исчезает, а с ней и цирку-

лярная поляризация люминесценции. Важно, что здесь существенно только од-

нородное уширение уровней, связанное со временем жизни спина соотношением

неопределенности. Различные же механизмы неоднородного уширения (эффект

Доплера в газах, случайные поля в кристаллах) не играют роли. Это позволяет

измерить параметры однородного уширения, связанные со временем жизни и

временем спиновой релаксации, в условиях, когда в спектре оно полностью

замаскировано неоднородным уширением.

Главные закономерности явления оптической ориентации (в более общем

смысле — оптической накачки) имеют вполне универсальный характер. Однако

долгое время эксперименты по оптической накачке осуществлялись лишь для

изолированных атомов газов.

В физике твердого тела методы оптической ориентации первоначально ис-

пользовались в случаях, аналогичных переходам между уровнями атомов в га-

зах: исследовались переходы между уровнями примесных центров в кристал-

лах [5 — 7]. Специфическое направление исследований связано с ориентацией

триплетных экситонов в молекулярных кристаллах. В этих исследованиях [8]

регистрация осуществлялась по ядерной поляризации, возникающей за счет

динамической поляризации протонов антрацена ориентированными экситонами.

Лампель в 1968 г. [9] осуществил эксперимент по оптической ориентации

электронов в полупроводниках. Объектом исследований служил кремний. Из-за

наблагоприятного соотношения времен жизни и времени спиновой релаксации

степень ориентации электронов была мала, но достаточна, чтобы поляризовать

ядра решетки кристалла. Поляризация ядерных спинов детектировалась обыч-

ной техникой ЯМР.

В последующие годы для электронов в полупроводниках был применен весь

арсенал классических методов оптической накачки: регистрация ориентации

электронов по циркулярной поляризации фотолюминесценции и деполяризации

излучения в магнитном поле — эффект Ханле [10—12]; оптическая регистра-

ция ядерного [13, 14] и электронного [15] парамагнитных резонансов; ориента-

ция основных носителей заряда — аналог оптической ориентации в основном

состоянии [16, 17].

и ядерных спинов. Сюда относятся гистерезис, бистабильность и незатухаю-

щие релаксационные колебания поляризации люминесценции (см. главу 5).

Наблюдались многоспиновые ядерные магнитные резонансы [25]. Была об-

наружена сильная анизотропия оптической ориентации в магнитном поле в твер-

дых растворах Ga

1-x

As и др. Как было показано, эта анизотропия связана

с квадрупольным расщеплением ядерных спиновых уровней, которое обуслов-

лено локальным нарушением кубической симметрии при замещении части ато-

мов галия на алюминий. Оптически были зарегистрированы запрещенные

ЯМР-переходы, связанные с квадрупольным взаимодействием [26], и квадру-

польный резонанс ядер [27].

ЯМР на оптически ориентированных ядрах

в кремнии. Было показано, что исследование оптической ориентации

в кремнии методами ЯМР и ЭПР позволяет разделить эффекты, возникающие

из-за мелких и глубоких примесных электронных состояний [28, 29]. Это свя-

зано с тем, что поляризация ядер электронами, находящимися на мелких уров-

нях, обусловлена в основном фермиевским контактным взаимодействием. Поля-

ризация ядер электронами глубоких уровней обусловлена диполь-дипольным

взаимодействием и имеет противоположный знак. Это открывает большие возмо-

жности исследования примесей и дефектов, в том числе радиационных дефек-

тов и дефектов, возникающих при пластической деформации.

Необычное поведение оптической поляризации ядер было обнаружено в крем-

нии, содержащим дефекты такого рода. Степень поляризации ядер в этом мате-

риале не зависит от поляризации света накачки и при этом она на 2—3 порядка

выше, чем в образцах кремния, не подвергнутых радиационному облучению,

пластической деформации или термообработке. Как было показано в [30],

это связано с неодинаковой заселенностью (выстраиванием) различных подуров-

ней триплетных возбужденных состояний дефектов и возникновением электрон-

ной ориентации в магнитном поле, направленном под углом к оси дефекта.

Поляризация горячей фотолюминесценции. Было

показано, что исследование поляризации горячей люминесценции в магнитном

поле (см. главу 4) позволяет измерить времена излучения оптических фононов

междолинных переходов.

Эти

времена составляют

-12

—10

-13

с.

Было пока-

зано также, что в горячей люминесценции проявляется выстраивание фотовоз-

бужденных электронов по импульсам и корреляция между импульсами и спи-

нами [31, 32]. Выстраивание фотовозбужденных электронов приводит к поля-

ризационно-зависимому поверхностному фотогальваническому эффекту [33].

Диффузия и дрейф «меченых» по спину электро-

нов в гетероструктурах. Гарбузов и др. [34] исследовали опти-

ческую ориентацию

двойной гетероструктуре

1-x

As.

При

этом наблюда-

лось две полосы люминесценции — коротковолновая, обусловленная излу-

чателыюй рекомбинацией во внешней широкозонной области, и длинноволновая

из внутренней узкозонной. Отношение поляризаций этих полос зависит от того,

каким образом попадают электроны в узкозонную область: путем диффузии

ориентированных электронов или в результате переизлучения фотонов. В этих

опытах была исследована относительная роль этих двух процессов в зависимо-

сти от толщины широкозонного слоя.

При исследовании эффекта Ханле в варизонной структуре (т. е. в материале,

в котором ширина запрещенной зоны плавно меняется от поверхности в глубь

образца) наблюдались осцилляции поляризации в зависимости от энергии

фотонов или в зависимости от магнитного поля [35, 36]. Для такой структуры

имеется однозначное соответствие между энергией фотона люминесценции и

глубиной, на которой он испущен. Электроны, возбужденные светом на поверх-

ности, дрейфуют в глубь кристалла, и их спин прецессирует в магнитном поле.

Основные физические явления при оптической ориентации 15

16 Глава 1

Осцилляции в

спектре

поляризации люминесценции обусловлены тем, что угол

прецессии периодически зависит от времени, а значит, и от глубины, которой

достиг электрон.

Литература

Глава 2

ТЕОРИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ

СПИНОВ ЭЛЕКТРОНОВ

И ЯДЕР В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

М. И. Дьяконов, В. И. Перелъ

1. Введение

При межзонном поглощении фотона в полупроводнике рождаются элек-

трон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне, причем суммарный спин

электрона и дырки должен быть равен угловому моменту поглощенного фотона.

Фотоны света, поляризованного по правому или левому кругу, имеют проекцию

углового момента на направление волнового вектора, равную +1 или —1 со-

ответственно. Этот угловой момент распределяется между фотовозбужденаыми

электроном и дыркой в соответствии с правилами отбора, которые определяются

зонной структурой полупроводника. Фотовозбужденные носители живут неко-

торое время τ до рекомбинации. В течение этого времени благодаря различным

процессам релаксации спиновая ориентация носителей уменьшается. Если

ориентация не полностью исчезла к моменту рекомбинации, то рекомбинацион-

ное излучение окажется частично поляризованным по кругу.

Таким образом, процесс оптической ориентации включает две стадии: созда-

ние ориентированных по спину носителей при поглощении циркулярно поля-

ризованного света и спиновая релаксация, происходящая в течение времени

жизни носителей.

Степень циркулярной поляризации рекомбинационного излучения служит

удобным и чувствительным индикатором спинового состояния носителей и его

изменений под влиянием внешних воздействий и релаксационных процессов,

определяющих кинетику неравновесных носителей в полупроводнике.

Наряду с оптическим возможны и другие методы регистрации спиновой

ориентации носителей. Так, в эксперименте Лампеля [1], впервые продемон-

стрировавшего возможность оптической ориентации свободных электронов

в полупроводнике, методом регистрации служил ядерный магнитный резонанс.

Ядра

Si в кристалле кремния поляризовались благодаря сверхтонкому вза-

имодействию с оптически ориентированными электронами. Оптический метод

регистрации впервые применил Парсонс [2], исследовавший оптическую спино-.

вую ориентацию в GaSb (см. также [3]).

Типичная схема эксперимента по оптической ориентации представлена на

рис. 2.1.

Степень спиновой ориентации фотовозбужденных носителей определяется

особенностями зонной структуры, типом оптических переходов, процессами

релаксации и влиянием различных внешних воздействий. Именно поэтому

оптическая ориентация служит эффективным методом исследования физических

процессов в полупроводниках. Особенно подробно исследована оптическая

ориентация в арсениде галлия и твердых растворах на его основе. Первые экспе-

рименты по оптической ориентации в этих материалах были выполнены Екимо-

вым и Сафаровым [4] и Захарченей, Флейшером и др. [5]. Оптическая ориента-

ция проявляется во всех типах краевой люминесценции, в частности в рекомби-

национном излучении оптически ориентированных экситонов, обнаруженном

впервые Гроссом и др. [6] в гексагональных кристаллах CdSe. Измерения по-

2 Заказ № 392