Название:Оптомеханические взаимодействия в полупроводниковых резонаторах на наномасштабах
Грантодатель:Гранты РНФ
Область знаний:02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры
Ключевые слова:Полупроводники, оптомеханика, экситонные поляритоны, акустические фононы, микрорезонаторы
Тип:исследовательский
Руководитель(и):Поддубный,АН
Подразделения:
Код проекта:20-42-04405
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ Аннотация Проект направлен на фундаментальное теоретико-экспериментальное исследование резонансного фотоупругого взаимодействия волноводных акустических мод с экситонными поляритонами, локализованными в полупроводниковом микрорезонаторе c квантовыми ямами. В настоящее время активно ведутся исследования взаимодействия механических колебаний вещества со светом. Оптомеханические эффекты уже стали основой реально использующихся устройств в самых разных областях -- от гигантских детекторов гравитационных волн до оптических пинцетов для удержания наночастиц, отмеченных Нобелевскими премиями по физике 2017 и 2018 года, соответственно. Однако потенциал оптомеханических резонаторов на основе полупроводниковых наноструктур по-прежнему остаётся нераскрытым. В отличие от традиционных резонаторов, в которых изменение частоты оптической моды возможно лишь за счет сдвига зеркал при колебаниях, в полупроводниках механические колебания могут взаимодействовать с оптическими посредством еще одного механизма -- изменения диэлектрической проницаемости материала при деформации за счет эффекта фотоупругости. Такой механизм многократно усилен в случае, когда колебания взаимодействуют с резонансными возбуждениями в материале резонатора, в роли которых в рамках данного проекта будут выступать экситонные поляритоны, обладающие чрезвычайно узкими оптическими резонансами в режиме бозе-конденсации. Конечной целью проекта является динамическое управление направлением распространения и интенсивностью звука при помощи когерентных оптических импульсов, что перспективно для высокоскоростной энергоэффективной обработки информации на чипе. В ходе выполнения проекта будут проводиться исследования по следующим основным направлениям: -- Разработка наноструктур, в которых брэгговский микрорезонатор со сверхрешеткой квантовых ям для экситонных поляритонов интегрирован с акустическим волноводом. Построение теории взаимодействия акустических волноводных мод с бозе-конденсатом поляритонов с учетом фотоупругого и геометрического механизмов взаимодействия. -- Экспериментальная реализация генерации и детектирования акустических волновых пакетов методом сканирующей микроскопии с фемтосекундным временным разрешением. -- Экспериментальная проверка возможности оптического управления интенсивностью акустических сигналов и акустической модуляции поляритонных состояний. -- Разработка оптически перестраиваемых акустического лазера, диода и транзистора на основе оптомеханических эффектов разогрева и охлаждения фононной моды. Разработка индуцированных светом акустического циркулятора, интерферометра и маршрутизатора для управления направлением распространения звуковой волны. Построение теории оптически индуцированных акустических сверхрешеток, поддерживающих топологически защищенные краевые состояния звука, для энергоэффективной передачи информации с защитой от потерь на рассеяние. Теоретические исследования будут выполняться в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге в сотрудничестве с Университетом ИТМО. Образцы микрорезонаторов будут выращиваться и характеризоваться в Берлине, в их разработке будут принимать участие теоретическая и экспериментальная группы из ФТИ им. А. Ф. Иоффе. Эксперименты с использованием комплиментарных методик буду проводится в Институте Друде и в ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Ожидаемые результаты -- Будет разработан дизайн полупроводниковых квантовых микрорезонаторов с интегрированными акустическими волноводами. Будут предложены и протестированы экспериментальные протоколы оптической генерации и детектирования акустических волн и импульсов, распространяющихся в таких наноструктурах. -- Будет построена теория взаимодействия между волноводными акустическими модами и бозе-конденсатом экситонных поляритонов и теория акустоэкситонного взаимодействия в полупроводниковых нанопластинках. Будут рассчитанны константы оптомеханического взаимодействия и эффективности нелинейной конверсии между звуком и светом в полупроводниковых квантовых микрорезонаторах с интегрированными акустическими волноводами. -- Будет рассчитан и измерен эксприменитально спектр излучения экситон-поляритонного конденсата в периодическом потенциале, наведенном акустической волной. -- Будет разработан дизайн оптически перестраиваемого акустического лазера, диода и транзистора на основе оптомеханических эффектов разогрева и охлаждения колебательных мод. Будут рассчитанны и экспериментально измеренны спектры пропускания звука в зависимости от энергии и интенсивности оптической накачки. -- Будет создана теория акустических циркулятора и маршрутизатора, индуцированных светом в микрорезонаторах с интегрированными акустическими волноводами. Будут рассчитанны спектры прохождения звука в зависимости от угла рассеяния. -- Будет рассчитанна фононная зонная структура в массиве акустических циркуляторов; проведен анализ формирования топологических акустических краевых состояний в таком массиве и возможности их экспериментальной реализации. Полученные результаты расширят фундаментальное понимание оптомеханических эффектов, включая процессы влияния света на звук и наоборот, в наноразмерных полупроводниковых структурах. Проведенные в рамках проекта исследования откроют возможность создания компактных твердотельных оптомеханических устройств, таких как акустические лазеры, транзисторы и маршрутизаторы, необходимых для энергоэффективной обработки и передачи информации в акустооптических интегральных схемах. ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Аннотация результатов, полученных в 2020 году -- Построена теория, описывающая влияние поверхностных акустических волн на фотолюминесценцию дефектов со спином 3/2 в карбиде кремния. Путем изменения внешнего магнитного поля можно добиться совпадения расстояния между парой спиновых уровней с частотой акустической волны. При этом акустическая волна индуцирует спиновые переходы, которые приводят к изменению интенсивности фотолюминесценции. Установлено, что поверхностная акустическая волна может индуцировать переходы с изменением проекции спина на 1 или 2. Проанализирована зависимость интенсивности спиновых переходов от угла между магнитным полем и направлением распространения поверхностной акустической волны. Показано, что путем выбора определенного направления магнитного поля можно избирательно возбуждать переходы с изменением проекции спина или на 1, или на 2. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.107702 -- Построена теория краевых топологических состояний поляритонов, индуцированных поверхностной акустической волной в одномерной сверхрешетке в планарном оптическом микрорезонаторе. Рассчитана дисперсия блоховских поляритонных мод в сверхрешетке в присутствии поверхностной акустической волны, период которой в три раза больше периода сверхрешетки. Установлено наличие минизон, характеризующихся отличными от нуля числами Черна. Рассчитаны энергии и волновые функции возникающих краевых поляритонных состояний. Описана адиабатическая эволюция состояний при движении поверхностной акустической волны. -- Построена теория взаимодействия состояний валентной зоны GaAs с поверхностными акустическими волнами в условиях приложенного магнитного поля. Рассчитаны матричные элементы при переходах между состояниями валентной зоны с испусканием и поглощения фононов и проанализирована асимметрия процессов испускания и поглощения, связанная с эллиптичностью поляризации поверхностной волны. Установлено, что для максимальной асимметрии оптимально распространение поверхностной волны в направлении [001], а для переходов с изменением проекции момента на 1 (-3/2->-1/2) оптимально распространение под углом около 20 градусов к кристаллическому направлению [001]. -- Построена теория гибридных волн деформации, распространяющихся в резонансной среде с квантовыми ямами. Показано, что при оптической накачке с частотой ниже экситонного резонанса в системе возможно образование бегущих волн переключения, когда амплитуда деформации зависит от координаты скачкообразно, что можно рассматривать как оптомеханическую доменную стенку. Рассчитан профиль таких доменных стенок, произведена линеаризация полученной системы уравнений и продемонстрирована их устойчивость доменных стенок в широком диапазоне интенсивности и частоты накачки. --- Построена теория рассеяния света на резонансном слое, колеблющемся в пространстве и рассчитаны спектры рассеяния света вперед и назад в зависимости от частоты и амплитуды колебаний. Проанализирован кроссовер между допплеровским и рамановским режима рассеяния, происходящий при увеличении скорости колебаний слоя. Полученные результаты применимы для экситонных поляритонов в микрорезонаторе с полупроводниковой квантовой ямой, резонансная частота экситона в которой модулируется акустическим импульсом деформации. https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.102.043523 -- Произведено экспериментальное исследование фотоупругих свойств тонких пленок полупроводника на основе данных экспериментов по пикосекундной акустике. Предложен последовательный подход, основанный на моделировании процессов распространения импульсов деформации в структурах и динамического фотоупругого отклика, который позволяет определить, (i) какой из эффектов, фотоупругости или изменения толщины, дают доминирующий вклад в детектируемый отклик, (ii) определить величину фотоупругого параметра тонких пленок, (iii) оценить степень влияния гранулированной структуры на фотоупругий отклик. Надежность сделанных выводов была подтверждена путем сравнения результатов моделирования с результатами реального эксперимента пикосекундной акустики, выполненного при участии членов коллектива, с различными тонкими пленками VO2 на подложках сапфира. Результаты работы вошли в статью в журнале Physical Review Materials (принята к публикации, в печати). --Построена теория комбинационного рассеяния света в квантовых точках CdSe и в квантовых ямах CdTe/CdMgTe. Показано, что экспериментальная методика комбинационного рассеяния с переворотом спина (Spin-Flip Raman Scattering) с участием акустического фонона в квазисферических квантовых точках CdSe позволяет измерять размерную зависимость g-фактора Ланде для основного оптически-активного состояния экситона на ансамбле квантовых точек. Для квантовых ям рассчитаны матричные элементы резонансного комбинационного рассеяния света на акустическом и оптическом фононах (двухфононный процесс). Теоретические исследования позволили объяснить экспериментальные результаты, полученные в ФТИ им. А.Ф. Иоффе, университете ИТМО (Санкт-Петербург) и университете Дортмунда.