Название:Оптический, электрический и деформационный контроль спинов в полупроводниковых наноструктурах
Грантодатель:Гранты РНФ
Область знаний:02 - Физика и науки о космосе
Научная дисциплина:02-202 - Полупроводники
Ключевые слова:Спин, спин орбитальное взаимодействие, люминесценция, сверхтонкое взаимодействие, обменное взаимодействие, полупроводники, наноструктуры, спинтроника
Тип:исследовательский
Руководитель(и):Кусраев,ЮГ
Подразделения:
Код проекта:18-12-00352
Аннотация Настоящий проект направлен на поиск новых спин-зависимых эффектов в различных полупроводниковых гетероструктурах, при различных внешних воздействиях и разработку на их основе эффективных методов генерации и контроля спиновой поляризации. Ключом, открывающим возможность такого управления сНастоящий проект направлен на поиск новых спин-зависимых эффектов в различных полупроводниковых гетероструктурах, при различных внешних воздействиях и разработку на их основе эффективных методов генерации и контроля спиновой поляризации. Ключом, открывающим возможность такого управления спиновым состоянием являются спиновые взаимодействия и их зависимость от внешних полей: электромагнитного поля (свет, микроволны), постоянного электрического и магнитного поля, деформации. В качестве объектов исследования будут выбраны специально разработанные гетероструктуры, в которых наиболее ярко проявляются те или иные спиновые эффекты. Так, в том случае когда важны обменные взаимодействия, мы будем использовать полупроводниковые квантовые точки, в которых из-за малого размера это взаимодействие усиливается и кроме того большое разнообразие наноструктур дает возможность контролируемым образом менять в широких пределах силу и вид взаимодействия (меняя размер структуры, ее симметрию и т.д.). Введение магнитных ионов в полупроводниковые наноструктуры добавляет сильное обменное взаимодействие с носителями и расширяет их функциональные возможности [Introduction to the Physics of Diluted Magnetic Semiconductors, Editors: Gaj, Jan A., Kossut, Jacek (Eds.). Springer Series in Materials Science, 144, 2010]. В проекте будут использованы наноструктуры на основе полупроводников типа А3В5 (GaAs/GaAlAs, InP/InGaP и др.) А2В6 (CdMnTe/CdMgTe, CdMnSe/ZnSe и др.) технология выращивания которых хорошо разработана. В частности, контролируя количество носителей заряда в магнитной квантовой точке с помощью приложенного к структуре электрического напряжения, можно управлять магнитным состоянием. Особенностью настоящего проекта является применение комплексного подхода, подразумевающего поиск новых спин-зависимых эффектов в различных, специально разработанных полупроводниковых гетероструктурах, применение различных внешних воздействий и разработку на их основе эффективных методов генерации и контроля спиновой поляризации. В соответствии с таким подходом, решение задачи будет осуществляться по трем направлениям. а) Исследование спиновой динамики электронов и ядер в самоорганизованных квантовых точках InP/InGaP и в магнитных квантовых точках (CdMnSe/ZnSe/CdSe) с контролируемым с помощью затворного напряжения легированием. Контроль спиновой поляризации электронов и магнитных ионов светом и внешним электрическим полем. б) Влияние электрического тока на спиновую поляризацию электронов в полупроводниковых гетероструктурах типа GaAs/GaAlAs. Выявление роли спин-орбитального взаимодействия электронов, а также разогрева электронного газа током на прецессию неравновесного электронного спина и на время его жизни. в) Управление спинами в полупроводниковых гетероструктурах с помощью деформационного воздействия. Исследование влияние одноосной постоянной и переменной деформации на время спиновой релаксации носителей заряда в объёмных полупроводниках и низкоразмерных полупроводниковых структурах GaAs/GaAlAs, InP/InGaP. Последнее время полупроводниковая спинтроника вызывает большой интерес у исследователей во всех развитых странах мира. Об актуальности направления говорит большое количество издаваемых книг [Contemporary Topics in Semiconductor Spintronics. Supriyo Bandyopadhyay, Marc Cahay, Jean-Pierre Leburton, World Scientific, 2017; Semiconductor Spintronics and Quantum Computation. D.D. Awschalom, D. Loss, N. Samarth. Springer, 2013; Wide Bandgap Semiconductor Spintronics. Vladimir Litvinov. CRC Press, 2016 и др.], а также регулярно проводимые международные конференции [International Conference on Trends in Spintronics and Nanomagnetism, 1st International Symposium on SiC Spintronics – IFM. Vadstena, Sweden, June, 2015; International Symposium on Metal and Insulator Spintronics. JAPAN, 26 November, 2016]. Все предлагаемые исследования являются новыми и соответствуют мировому уровню. Группа является соорганизатором регулярной международной конференции “Spin Physics, Spin Chemistry and Spin Technology”, в 2016 году был выпущен специальный выпуск журнала издательства Springer: Applied Magnetic Resonance “Spin Physics, Spin Chemistry and Spin Technology”, editors P.G. Baranov (St. Petersburg) and V. Dyakonov (Wuerzburg), где опубликован обзор руководителя проекта [Yu G. Kusrayev. Spin-Dependent Phenomena in Semiconductors and Semiconductor/Ferromagnetic Heterostructures, Applied Magnetic Resonance, 2016, v. 47, issue 7, pp 657]. Ожидаемые результаты 1. В самоорганизованных квантовых точках InP/InGaP будут изучены общие закономерности оптической ориентации внешних магнитных полях (геометрии Фойгта и Фарадея) и осуществлен контроль спинов светом и внешним электрическим полем. 2. Будут созданы структуры, состоящие из слоя магнитных квантовых точек CdMnSe и легированного немагнитного слоя (CdMnSe/ZnSe/CdSe), а также контакты к структуре. Внешним затворным напряжением будет осуществлен контроль количества электронов в квантовой точке. Будет измерена зависимость поляризации излучения и магнитного состояния КТ от напряжения на затворе. 3. В гетероструктурах AlGaAs/GaAs/AlGaAs высокого качества с толщиной слоя GaAs 100 нм будет определено время жизни спина (время спиновой памяти) в зависимости от силы тока, разогревающего электронный газ (метод контроля спиновой поляризации). Будет идентифицирован физический механизм электрической ионизации доноров и экситонов в умеренных полях (<100 В/см), разогревающих электронный газ. 4. Будут измерены зависимости времён спиновой релаксации и спиновой когерентности в объёмных GaAs и InP и наноструктурах на их основе от приложенной постоянной одноосной деформации, а также от частоты приложенной переменной деформации. Все запланированные результаты проекта соответствуют мировому уровню исследований, о чем свидетельствуют предыдущие публикации участников. Предлагаемые исследования являются актуальными и новыми, они являются логическим продолжением предыдущих работ участников проекта, результатом международной коллаборации (участники входят в Международный центр сотрудничества России и Германии: ICRC TRR160), что подтверждает потенциал их практического использования в экономике и социальной сфере.