Новости науки 10.01.02. Как увеличить времена спиновой релаксации фотовозбужденных носителей?

В последние годы большое внимание уделяется развитию такого перспективного направления как спиновая электроника (спинтроника). Исследуя спиновый транспорт в полупроводниковых квантовых ямах, ученые из Германии и Японии показали, что с помощью поверхностной акустической волны удается существенно увеличить время спиновой релаксации фотовозбужденных носителей заряда и, соответственно, расстояние, на которое на которое их можно "транспортировать".

В отличие от обычной электроники, спиновая электроника связана с манипулированием спинами электронов и дырок. Для создания спиновых транзисторов и базовых элементов квантовых компьютеров необходимо решить несколько проблем, в частности, необходимо уметь создавать в полупроводнике спиновую поляризацию, по возможности увеличить время спиновой релаксации и научиться управлять спиновым транспортом в полупроводниковых и гибридных структурах. Одна из стоящих перед исследователями задач - научиться управлять спинами фотовозбужденных носителей заряда (электронов и дырок) и транспортировать носители с ориентированными спинами на достаточные расстояния.

Рис.1. Схема эксперимента. На вставке схематично показано транспорт фотовозбужденных носителей заряда поверхностной акустической волной.

При оптическом возбуждении полупроводника рождаются электрон-дырочные пары, которые существуют в течение конечного времени, после чего происходит рекомбинация (аннигиляция) электрона и дырки. С помощью циркулярно поляризованного света можно создавать оптически ориентированные электрон-дырочные пары, однако времена спиновой релаксации из-за достаточно сильного обменного взаимодействия между электроном и дыркой достаточно малы. При низких температурах из-за кулоновского взаимодействия возникает связанное состояние электрона и дырки (экситон), перекрытие волновых функций электрона и дырки увеличивается и, соответственно, усиливается обменное взаимодействие. Соответственно, с одной стороны, возможность транспорта носителей ограничивается временами рекомбинации электрон-дырочных пар, а с другой - спиновая релаксация в системе происходит достаточно быстро. Одно из возможных решений - использование поверхностных акустических волн (ПАВ) (о взаимодействии поверхностной акустической волны с носителями заряда см. в нашей заметке ). ПАВ обеспечивает пространственное разделение электронов и дырок и, тем самым, увеличивает времена рекомбинации, позволяя транспортировать носители на достаточно большие (порядка нескольких микрон) расстояния. Исследования немецких ученых показывают, что времена спиновой релаксации при этом также существенно возрастают [1].

Эксперименты проводились на структуре с полупроводниковыми квантовыми ямами (тонкими слоями материала с меньшей шириной запрещенной зоны, окруженными материалом с большей шириной запрещенной зоны) GaAs/AlGaAs, находящимися вблизи поверхности. ПАВ обеспечивала транспорт фотовозбужденных носителей заряда, и исследователи, проводя поляризационные измерения, могли контролировать степень спиновой поляризации на различных расстояниях от места генерации носителей с микронной точностью (см. рис.1). Было установлено, что времена спиновой релаксации увеличиваются в присутствии ПАВ более чем на порядок и могут превышать одну наносекунду, что является достаточно неплохим результатом.

1. T.Sogawa, P.W.Santos, S.K.Zhang et al. Phys.Rev.Lett. v.87, 276601 (2001).

перейти к началу страницы