Спин-зависимая оптическая спектроскопия полупроводников и полупроводниковых наноструктур

Цель проекта – изучение электронных состояний и оптических явлений в полупроводниковых материалах и наноструктурах на их основе с различной размерностью (двумерные, одномерные и нульмерные). Установление и теоретическое описание микроскопических механизмов исследуемых явлений с целью управления оптическими свойствами для их применения в устройствах фотоники и спинтроники. Совместные с зарубежным партнером (Национальный центр научных исследований – CNRS, Франция) теоретико-экспериментальные исследования этих эффектов.

Основные результаты проекта:

Исследования велись по взаимосвязанным направлениям: электронные, экситонные, оптические и спиновые свойства структур с монослоями дихалькогенидов переходных металлов, тонкая структура экситонных и электронных состояний в нульмерных системах, включая квантовые точки из материалов III-V и нанокристаллы перовскитов, а также спин-зависимая рекомбинация через глубокие состояния в твердых растворах GaAlN. Особый акцент был сделан на эффектах, обусловленных взаимным преобразованием поляризации света в спин квазичастиц.

В частности, на основе схемы накачка-зондирование предложен оригинальный эксперимент, позволяющий проследить эволюцию спинов электронов и ядер на межузельных атомах Ga²⁺ в твердом растворе GaAsN. На основе развитой теории удалось измерить константу сверхтонкого расщепления и относительную долю ядерных изотопов полностью оптическими методами без использования электронного спинового резонанса и внешнего магнитного поля (рис. 1). Такая методика может быть применена и для других систем с глубокими центрами, она обладает значительными преимуществами по сравнению со стандартными методами магнитного резонанса и динамической поляризации ядер.

Совместно с зарубежным партнером выполнен широкий круг исследований, позволивших установить симметрию и тонкую структуру экситонов в атомарно-тонких полупроводниковых кристаллах на основе дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ, например, MoS₂). Предложен и экспериментально обнаружен резонансный механизм суммирования квантов возбуждения в монослоях ДПМ, в результате чего наблюдалось излучение монослоев с энергией, на сотни мэВ превышающей энергию возбуждения (рис. 2). Изучение этого эффекта позволило расширить данные о зонной структуре монослоев ДПМ и строении экситонных состояний.

Также был исследован эффект Парселла – влияние окружения на темп рекомбинации экситона – в ван-дер-ваальсовых гетероструктурах с монослоями ДПМ. Показано, что диэлектрическое окружение монослоя играет роль резонантора, позволяющего, в зависимости от толщин слоев окружения, увеличить или уменьшить излучательное время жизни экситона на порядок величины. Эффект был обнаружен зарубежным партнером, результаты эксперимента полностью согласуются с развитой нами теорией (рис. 3). Обнаружение эффекта Парселла открывает путь к созданию эффективных источников излучения на основе двумерных материалов.

Библиография (основные публикации по проекту):

[1] M. M. Glazov, L. E. Golub, G. Wang, X. Marie, T. Amand, and B. Urbaszek, Intrinsic exciton-state mixing and nonlinear optical properties in transition metal dichalcogenide monolayers, Phys. Rev. B 95, 035311 (2017).

[2] M. Manca, M. M. Glazov, C. Robert, F. Cadiz, T. Taniguchi, K. Watanabe, E. Courtade, T. Amand, P. Renucci, X. Marie, G. Wang, B. Urbaszek, Enabling valley selective exciton scattering in monolayer WSe₂ through upconversion, Nature Communications 8, 14927 (2017)

[3] B. Han, C. Robert, E. Courtade, M. Manca, S. Shree, T. Amand, P. Renucci, T. Taniguchi, K. Watanabe, X. Marie, L.E. Golub, M.M. Glazov, and B. Urbaszek, Exciton States in Monolayer MoSe₂and MoTe₂ Probed by Upconversion Spectroscopy, Phys. Rev. X 8, 031073 (2018)

[4] G. Wang, C. Robert, M. M. Glazov, F. Cadiz, E. Courtade, T. Amand, D. Lagarde, T. Taniguchi, K. Watanabe, B. Urbaszek, and X. Marie, In-Plane Propagation of Light in Transition Metal Dichalcogenide Monolayers: Optical Selection Rules, Phys. Rev. Lett. 119, 047401 (2017).

[5] S. Shree, M. Semina, C. Robert, B. Han, T. Amand, A. Balocchi, M. Manca, E. Courtade, X. Marie, T. Taniguchi, K. Watanabe, M. M. Glazov, and B. Urbaszek, Observation of exciton-phonon coupling in MoSe2 monolayers, Phys. Rev. B 98, 035302 (2018)

[6] C. Robert, M. A. Semina, F. Cadiz, M. Manca, E. Courtade, T. Taniguchi, K. Watanabe, H. Cai, S. Tongay, B. Lassagne, P. Renucci, T. Amand, X. Marie, M. M. Glazov, and B. Urbaszek, Optical spectroscopy of excited exciton states in MoS₂ monolayers in van der Waals heterostructures, Phys. Rev. Materials 2, 011001(R) (2018)

[7] H.H. Fang, B. Han, C. Robert, M.A. Semina, D. Lagarde, E. Courtade, T. Taniguchi, K. Watanabe, T. Amand, B. Urbaszek, M.M. Glazov, and X. Marie, Control of the Exciton Radiative Lifetime in van der Waals Heterostructures, Phys. Rev. Lett. 123, 067401 (2019).

[8] M. M. Glazov, M. A. Semina, C. Robert, B. Urbaszek, T. Amand, and X. Marie, Intervalley polaron in atomically thin transition metal dichalcogenides, Phys. Rev. B 100, 041301(R) (2019)

[9] Gang Wang, Alexey Chernikov, Mikhail M. Glazov, Tony F. Heinz, Xavier Marie, Thierry Amand, and Bernhard Urbaszek, Colloquium: Excitons in atomically thin transition metal dichalcogenides, Rev. Mod. Phys. 90, 021001 (2018)

[10] V. G. Ibarra-Sierra, J. C. Sandoval-Santana, S. Azaizia, H. Carrère, L. A. Bakaleinikov, V. K. Kalevich, E. L. Ivchenko, X. Marie, T. Amand, A. Balocchi, and A. Kunold, Electron-nuclear spin dynamics of Ga²⁺ paramagnetic centers probed by spin-dependent recombination: A master equation approach, Phys. Rev. B 95, 195204 (2017).

[11] S. Azaizia, H. Carrère, J. C. Sandoval-Santana, V. G. Ibarra-Sierra, V. K. Kalevich, E. L. Ivchenko, L. A. Bakaleinikov, X. Marie, T. Amand, A. Kunold, and A. Balocchi, Electron-nuclear coherent spin oscillations probed by spin-dependent recombination, Phys. Rev. B 97, 155201 (2018).

[12] J.C. Sandoval-Santana, V.G. Ibarra-Sierra, S. Azaizia, H. Carrere, L.A. Bakaleinikov, V.K. Kalevich, E.L. Ivchenko, X. Marie, T. Amand, A. Balocchi, and A. Kunold, Electron-nuclear spin dynamics of Ga centers in GaAsN dilute nitride semiconductors probed by pump-probe spectroscopy, Eur. Phys. J. Plus 133, 122 (2018).

[13] M. Manca, G. Wang, T. Kuroda, S. Shree, A. Balocchi, P. Renucci, X. Marie, M. V. Durnev, M. M. Glazov, K. Sakoda, T. Mano, T. Amand, and B. Urbaszek, Electrically tunable dynamic nuclear spin polarization in GaAs quantum dots at zero magnetic field, Appl. Phys. Lett. 112, 142103 (2018)

[14] Е.Л. Ивченко, В.К. Калевич, A. Kunold, A. Balocchi, X. Marie, T. Amand, Сверхтонкое взаимодействие и рекомбинация Шокли–Рида–Холла в полупроводниках, ФТП 53, 1200 (2019).

[15] A. V. Poshakinskiy and A. N. Poddubny, Optomechanical Kerker Effect, Phys. Rev. X 9, 011008 (2019).

[16] D. S. Smirnov, B. Reznychenko, A. Auffèves, and L. Lanco, Measurement back action and spin noise spectroscopy in a charged cavity QED device in the strong coupling regime. Phys. Rev. B 96, 165308 (2017).

[17] A.M.Smirnov, V.N.Mantsevich, D.S.Smirnov, A.D.Golinskaya, M.V.Kozlova, B.M.Saidzhonov, V.S.Dneprovskii, R.B.Vasiliev, Heavy-hole and light-hole excitons in nonlinear absorption spectra of colloidal nanoplatelets, Solid State Communications 299, 113651 (2019).