Название:Спиновые и кулоновские эффекты в оптической спектроскопии полупроводниковых наносистем
Грантодатель:Гранты РНФ
Область знаний:02 - Физика и науки о космосе
Научная дисциплина:02-202 - Полупроводники
Ключевые слова:Полупроводники, наноструктуры, оптическая спектроскопия, спиновые явления, кулоновское взаимодействие, спин-орбитальное взаимодействие, сверхтонкое взаимодействие
Тип:исследовательский
Руководитель(и):Глазов,ММ
Подразделения:
Код проекта:19-12-00051
Проект нацелен на теоретические исследования оптических явлений в полупроводниковых наносистемах, обусловленных наличием спиновых и долинных степеней свободы носителей заряда и кулоновских комплексов: экситонов и трионов, а также развитие методов теоретического описания таких систем, поиск и изучение новых явлений, связанных со спиновыми степенями свободы и кулоновским взаимодействием. Наличие у электронов и дырок внутренних степеней свободы, обусловленных магнитным моментом – спином, а также присутствием эквивалентных долин в зоне Бриллюэна многодолинных полупроводников, открыло широкие перспективы исследования квантовых и релятивистских эффектов в полупроводниках. Уменьшение размерности системы приводит благодаря размерному квантованию носителей заряда, с одной стороны, к эффективному понижению симметрии структуры и возможности наблюдения новых явлений, запрещенных в объемных материалах, а с другой – к резкому усилению роли кулоновского и спин-орбитального взаимодействий. Они во многих важных случаях, в частности, для одиночных центров окраски в кристаллах, примесных центров – доноров и акцепторов, монослойных дихалькогенидов переходных металлов, становятся доминирующими и определяют энергетический спектр и состояния системы. Размерное квантование также значительно усиливает сверхтонкое взаимодействие спинов электронов и ядер в полупроводниках. Узкие оптические резонансы низкоразмерных систем позволяют селективно возбуждать электрон-дырочные комплексы (нейтральные и заряженные экситоны) и передавать импульс и угловой момент фотона спиновым и долинным степеням свободы носителей заряда и их комплексам, ядрам основной решетки или примесных центров, а также управлять спиновыми и долинными степенями свободы немагнитными методами, что определяет, наряду с фундаментальным физическим интересом к таким системам, их значительный потенциал и для решения прикладных задач хранения и обработки информации. В ходе выполнения проекта будут проводиться исследования по следующим направлениям: - Развитие теории спиновой дефазировки и релаксации и теории спиновых флуктуаций локализованных носителей заряда в системах, где электрон или дырка взаимодействует с малым – от единиц до десятков – числом спинов ядер основной решетки. - Разработка моделей спиновой динамики, электронного парамагнитного резонанса и оптических свойств центров окраски в полупроводниках, в особенности центров со спином 3/2, связанных с вакансиями Si в SiC. - Построение теории электронных спиновых флуктуаций и корреляций в пространстве и во времени в квазиодномерных системах локализованных электронов с учетом обменного взаимодействия между носителями заряда, пространственного и энергетического беспорядка и сверхтонкого взаимодействия. - Разработка теории поляризационно-зависимого нелинейного оптического отклика, в частности, линейно-циркулярного дихроизма многофотонного поглощения и ориентации спиновых и (или) долинных степеней свободы в полупроводниках и полупроводниковых наносистемах в условиях сильного кулоновского взаимодействия. - Построение модели переноса экситонов в монослоях дихалькогенидов переходных металлов в условиях сильного экситон-фононного взаимодействия. Будет развита теория эффекта увлечения экситонов фононами (фононного ветра) при некогерентной генерации фононов в процессе релаксации фотовозбужденных экситонов, а также проанализирован транспорт экситонов в поле когерентной акустической волны. - Развитие теории резонансного оптомеханического отклика двумерных кристаллов на основе дихалькогенидов переходных металлов, обусловленного взаимодействием экситона с акустическими фононами. Ожидаемые результаты - Разработка теории спиновой диффузии с учетом конкуренции обменного электрон-электронного взаимодействия и сверхтонкого взаимодействия спинов носителей заряда и ядерных флуктуаций. Расчет коэффициентов диффузии, анализ режимов локализации/делокализации спиновых возбуждений. - Построение теории динамики, релаксации и флуктуаций спина для спиновых центров в полупроводниках, включая центры окраски и примесные центры, в том числе, в неравновесных условиях. Расчет спектров спиновых флуктуаций и времен релаксации в зависимости от интенсивности и частоты внешних воздействий. Анализ роли сверхтонкого и электрон-фононного взаимодействий. - Теория линейно-циркулярного дихроизма многофотонного поглощения в монослоях дихалькогенидов переходных металлов, теллуре и халькогенидах свинца в условиях сильного кулоновского взаимодействия как при резонансном возбуждении экситонов, так и при переходах в континуум электрон-дырочных состояний, модифицированных кулоновским взаимодействием. - Развитие теории зонной структуры и определение параметров многозонной kp-модели для кристаллов теллура под давлением в условиях, при которых происходят переходы полупроводник – полуметалл и тривиальный изолятор – топологический изолятор. Расчет магнитоиндуцированного кирального фототока при неполяризованном возбуждении теллура в условиях многофотонных переходов. - Построение теории экситонных состояний в нанопроволоках и квантовых точках на основе халькогенидов свинца в рамках атомистического подхода. Расчет спиновых расщеплений в нанопроволоках PbSe, определение основных механизмов фотогальванического и спин-гальванического эффектов в таких структурах, расчет величины и поляризационной зависимости фототоков. Учет упругих деформаций. - Разработка теории транспорта экситонов в условиях сильного экситон-фононного взаимодействия в монослоях дихалькогенидов переходных металлов. Разработка теории фононного ветра. Расчет эволюции облака экситонов в пространстве и во времени с учетом экситон-фононного увлечения. Анализ роли экситон-экситонного взаимодействия. - Развитие теории резонансного мандельштам—бриллюэновского рассеяния света на изгибных фононах в двумерных полупроводниках, определение основного механизма взаимодействия света с такими фононами. Развитие теории невзаимного распространения фононов в монослоях дихалькогенидов переходных металлов в условиях оптического возбуждения. Решение этих задач позволит сформировать понимание процессов релаксации, дефазировки и флуктуаций спинов электронов и ядер в наносистемах с сильной локализацией носителей заряда, выявить роль кулоновского взаимодействия в спиновой динамике и поляризационно-зависимом нелинейном оптическом отклике полупроводниковых наноструктур, исследовать эффекты экситон-фононного и оптомеханического взаимодействия в наносистемах, обусловленного кулоновскими эффектами. Выполненные исследования откроют возможность разработать принципы управления спинами носителей заряда и ядер оптическими методами.