Несмотря на интенсивные исследования спин-зависимых явлений и спиновых взаимодействий в полупроводниковых наноструктурах, целый ряд фундаментальных вопросов остается невыясненным. Так, сверхдолгие времена спиновой релаксации, а также процессы спин-зависимой рекомбинации в электронно-ядерной спиновой системе поняты не до конца. Эксперименты показывают, что в сильно взаимодействующей электронно-ядерной спиновой системе время жизни спина электрона увеличивается многократно. С другой стороны, управление электронным спином в полупроводниках и полупроводниковых структурах, контролируемое взаимодействием между электронными спинами, остается актуальной проблемой спинтроники. В проекте будут исследованы новые эффекты в системах взаимодействующих спинов, таких как электрон-ядро и электрон-магнитный ион (последнее реализуется в разбавленных магнитных полупроводниках). Исследования в этом направлении нацелены на поиск новых эффектов и выявление наиболее оптимальных способов управления спином, которые позволят осуществить разработку и изготовление спинтронных устройств (энергонезависимых, с повышенным быстродействием, малой энергией переключения и т.д.). В ходе выполнения предыдущего проекта, исследовалось явление отрицательной циркулярной поляризации (ОЦП) фотолюминесценции (ФЛ) в квантовых точках (КТ), а также была обнаружена отрицательная циркулярная поляризация ФЛ в полумагнитных квантовых ямах. Явление ОЦП в КТ непосредственно связано со спиновой накачкой резидентных носителей заряда, что по сути является записью информации. В полумагнитных квантовых ямах явление, по-видимому, имеет другое происхождение и обязано образованию магнитных поляронов. Мы детально выясним механизм каждого явления.

Сильное обменное взаимодействие между носителями заряда (электронами, дырками) и локализованными магнитными ионами марганца в разбавленных магнитных полупроводниках (например, (Cd, Mn)Te) приводит к проявлению целого класса магнитооптических эффектов. Среди них гигантское спиновое расщепление экситонных состояний, проявляющихся в спектрах фотолюминесценции, отражения и поглощения, гигантский эффект Фарадея и формирование магнитного полярона. Кроме того, в этой системе взаимодействующих локализованных магнитных ионов марганца может реализоваться состояние спинового стекла. Магнитные моменты частиц, входящих в магнитный полярон, самосогласованно выстраиваются вдоль одной оси за счёт обменного взаимодействия носителей заряда с магнитными ионами, образуя суммарный магнитный момент, который в анизотропных системах оказывается особенно стабильным. Примерами таких систем служат квантово-размерные структуры: квантовые ямы и квантовые точки. В таких структурах спин тяжёлой дырки за счёт сильного спин-орбитального расщепления и малой области локализации создаёт на ионах марганца сильное анизотропное обменное поле, направленное вдоль оси роста структуры. Исследование магнитных поляронов в наноструктурах на основе разбавленного магнитного полупроводника является актуальной задачей (особенно с учетом возможности управления его магнитным моментом с помощью света) поскольку стабильные магнитные поляроны имеют потенциал для использования их в энергоэффективных спинтронных элементах памяти с высокой плотностью записи. Несколько актуальных задач, касающихся немагнитных квантовых точек, их спиновой динамики, остаются нерешенными. Так, КТ InP/(In,Ga)P, исследование которых мы продолжим в рамках проекта, являются хорошим модельным объектом, демонстрирующим многие типичные свойства КТ. Наши эксперименты показали, что спиновая динамика носителей заряда в значительной мере определяется поляризацией ядер – эту связь мы планируем установить. Кроме InP/(In,Ga)P, будут исследованы непрямозонные в k-пространстве КТ (In,Al)As/AlAs, в которых наблюдается аномально долгое время жизни носителей (>10 мкс), при этом объект изучен мало. Неожиданно, время жизни спина электрона в этих структурах также оказалось аномально длинным (>10 мкс). Ранее эти объекты уже исследовались (РНФ, 2018-2020) и было выявлено необычное поведение оптически индуцированной поляризации в магнитном поле, как в условиях стационарного, так и импульсного возбуждения. В рамках настоящего проекта планируется исследование методом поляризованной фотолюминесценции (ФЛ) в магнитном поле и методом комбинационного рассеяния света спиновых свойств носителей в КТ InP/(In,Ga)P. Будут исследованы особенности оптической ориентации спинов, обусловленные взаимодействием с ядрами в непрямозонных в k-пространстве КТ (In,Al)As/AlAs с долгими временами жизни и спиновой релаксации носителей. Роль спинов ядер будет изучаться методом эффекта Ханле и восстановления оптической ориентации спинов в магнитном поле, а также методом оптического детектирования ядерного магнитного резонанса (ОДЯМР). Долгие времена спиновой релаксации вызваны подавлением спин-орбитального взаимодействия в локализованном состоянии (квантовые точки, примесные центры, и т.д.). В таких условиях возрастает роль спин-решеточной релаксации. При этом возникает проблема сохранения углового момента. Эта проблема возникала еще при анализе известных экспериментов Эйнштейна-де Газа и Барнетта. Удивительно, что микроскопический механизм передачи углового момента в фононную систему, а затем из фононной системы на все тело практически не исследован, в том числе экспериментально. Традиционно, при рассмотрении спин-решеточной релаксации сохранение углового момента не учитывалось, аргументируя это тем, что гамильтониан системы неинвариантен по отношению к вращениям. Эти работы ссылаются на пионерскую работу Ван-Флека [J. H. Van Vleck, Paramagnetic relaxation times for titanium and chrome alum. Phys. Rev. 57, 426 (1940)]. В то же время совершенно ясно, что угловой момент в системе взаимодействующих спинов и фононов сохраняется (о чем недвусмысленно свидетельствует эксперимент Эйнштейна-де Гааза). Последнее время появилось несколько теоретических работ, предлагающих микроскопический механизм передачи углового момента в фононную систему [D. A. Garanin and E. M. Chudnovsky, Angular momentum in spin-phonon processes, Phys. Rev. B 92, 024421 (2015); J. H. Mentink, M. I. Katsnelson, and M. Lemeshko, Quantum many-body dynamics of the Einstein–de Haas effect. Phys. Rev. B 99, 064428 (2019); Andreas Rückriegel, et al. Angular momentum conservation and phonon spin in magnetic insulators Phys. Rev. B 101, 104402 (2020).] В проекте будут исследованы процессы передачи углового момента фононной подсистеме при элементарных актах испускания и поглощения фонона. Экспериментально будет изучаться поляризация излучения с испусканием и поглощением фононов разной энергии (акустических и оптических). В магнитном поле дополнительно будет проводиться селекция фононов по величине зеемановского расщепления экситонов. В разбавленных магнитных полупроводниках и наноструктурах это расщепление может меняться в широких пределах – от нуля до энергии оптического фонона (20-30 мэВ) и более.