| Название: | Оптические явления в спин-коррелированных системах в полупроводниковых наноструктурах |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 02 - Физика и науки о космосе |
| Научная дисциплина: | 02-202 - Полупроводники |
| Ключевые слова: | Сильно-коррелированные спиновые системы, полумагнитные полупроводники, обменное взаимодействие носителей и магнитных ионов, гигантские магнито-оптические эффекты, спин-решеточная релаксация магнитных ионов, спиновое стекло, магнитный полярон |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Яковлев,ДР |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 14-42-00015 |
Аннотация
В проекте ставится задача исследования фундаментальных свойств коррелированных спиновых систем магнитных ионов и носителей заряда (электронов и дырок) в полупроводниковых наноструктурах на основе II-VI и III-V полумагнитных полупроводников. Она включает в себя поиск новых явлений и эффектов и идентификацию новых механизмов ответственных за когерентную и некогерентную спиновую динамику с целью их применения в спинтронике и квантово-информационных технологиях, а также разработку оптических методов исследования и управления спиновыми системами в режиме слабой и сильной спиновой корреляции и формирования магнитоупорядоченных структур.
Когерентные и некогерентные свойства спиновых систем определяются спин-спиновыми взаимодействиями и корреляциями в спиновых системах. Спиновая когерентность востребована в квантово-информационных технологиях, которые используя суперпозицию и запутанность квантовых состояний, предлагают новые решения превосходящие по возможностям системы классической обработки информации. Решение вопросов, связанных со спин-спиновыми взаимодействиями и корреляциями поможет пониманию природы ферромагнетизма в полупроводниках, что будет способствовать разработке новых наноразмерных твердотельных приборов использующих спиновые степени свободы. В проекте будут использоваться современные оптические методы для экспериментального изучения магнитных взаимодействий, что позволит создать основу для управления спинами носителей заряда немагнитными методами (оптическое и микроволновое излучение, электрическое поле и т.д.).
Конкретные задачи данного проекта объединены в три направления: (1) Индивидуальные спин-спиновые взаимодействия; (2) Взаимодействие индивидуального носителя (экситона или заряженного экситона) с макроскопическим числом магнитных ионов; (3) Спиновая динамика в системе взаимодействующих магнитных ионов. В исследованиях будет задействован широкий набор наноструктур выращенных на основе II-VI (CdMnTe, CdMnSe, ZnMnSe) и III-V (GaMnAs) полумагнитных полупроводников, который позволит в очень широком диапазоне варьировать концентрации носителей и магнитных ионов, реализуя режимы слабой и сильной корреляции в спиновых системах. Одним из примеров режима сильной корреляции в спиновой системе является переход в ферромагнитное состояние. Имеющиеся в распоряжении научного коллектива экспериментальные методики позволяют проводить исследования в широком диапазоне времен от 10^-11 до 10^2 секунд, в сильных магнитных полях до 17 Тесла и в температурном диапазоне от жидкого гелия до комнаты (от 1.6 до 300 Кельвин), а также проводить оптические манипуляции с одиночными локализованными спинами. Комбинация нескольких методик для исследования одного объекта или явления позволит нам получить комплексную информацию необходимую для детального понимания механизмов явления и их теоретического описания.
Ожидаемые результаты
Привлекательность полупроводников для спиновой электроники (спинтроники) состоит в том, что благодаря современной технологии электронные, спиновые и оптические свойства полупроводниковых структур могут варьироваться в широких пределах. Это позволит в перспективе разработать интегральное решение для системы обработки информации с использованием спина на одном полупроводниковом чипе. Одним из перспективных материалов для реализации такого решения являются полумагнитные полупроводники в которых магнитные ионы инкорпорированы в немагнитный материал II-VI или III-V полупроводников.
Результатом данного проекта будет получение детальной экспериментальной и теоретической информации о спиновых взаимодействиях в полумагнитных полупроводниках и полупроводниковых наноструктурах на основе II-VI (CdMnTe, ZnMnSe) и III-V (GaMnAs) материалов. Будут обнаружены новые явления и эффекты на основе которых будут предложены методы оптического контроля и управления спиновым состоянием носителей и магнитных ионов. Эти оптические методы будут опробованы на структурах с различной степенью спиновой корреляции. Для системы магнитных ионов будет прослежена модификация ее свойств с увеличением концентрации Mn и переходу из режима слабой спиновой корреляции к сильной спиновой корреляции в спиновых кластерах, спиновых стеклах и антиферромагнитной фазе.
Исследования будут проведены как на ансамблях спинов, так и на одиночных спинах, что являются одним из приоритетных направлений спинтроники. Например, для нейтрального акцептора Mn в GaAs будет реализован оптический протокол управления спиновым состоянием в когерентном и некогерентном режимах: инициализация спина, контроль и изменение его состояния, считывание информации о спиновом состоянии. Будет получена детальная информация о характерных временах спиновой памяти и спиновой когерентности.
Использование нескольких экспериментальных методик, часть из которых доступна лишь в нескольких научных центрах в мире, большой накопленный опыт участников научного коллектива в области спиновой физики объединение в одном проекте усилий экспериментаторов и теоретиков обеспечит получение результатов на уровне ведущих мировых научных центров. Эти результаты будут востребованы быстро развивающимися квантово-информационными технологиями.
