مقالة منهجية

قياس اضمحلال التماسك في GaMnAs باستخدام خلط الفيمتو ثانية رباعي الموجات

8.7K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/51094

⸱

ديسمبر 3, 2013

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Physics and Atmospheric Science, Dalhousie University, 2Department of Physics, University of Notre Dame

في هذه المقالة

ملخص

تم وصف تقنية الخلط رباعي الموجات من الفيمتو ثانية ، بما في ذلك التكوينات التي تم حلها طيفيا وحلها بمرور الوقت. نوضح فائدة هذه التقنية للتحقيق في الخصائص الفيزيائية الحاسمة في أشباه الموصلات المغناطيسية المخففة III-V ، والتي توفرها اللاخطية والدقة الزمنية العالية.

الملخص

< p class = "jove_content"> يتم وصف تطبيق خلط الفيمتو ثانية رباعي الموجات لدراسة الخصائص الأساسية لأشباه الموصلات المغناطيسية المخففة ((s ، p) -d التهجين ، التشتت الدوراني) ، باستخدام التجارب على GaMnAs كنموذج أولي لنظام III-Mn-V. تم وصف التكوينات التجريبية التي تم حلها طيفيا وحلها بمرور الوقت ، بما في ذلك استخدام تقنيات الارتباط التلقائي في الخلفية الصفرية لتحسين النبض. عملية النقش المستخدمة لإعداد عينات GaMnAs كما يتم تسليط الضوء على تجارب الخلط رباعي الموجات. تسمح الدقة الزمنية العالية لهذه التقنية ، التي يوفرها استخدام نبضات بصرية قصيرة (20 fsec) ، بدراسة عملية التشتت السريع للدوران في هذا النظام مباشرة في المجال الزمني ، مما يوفر نظرة ثاقبة جديدة لاقتران التبادل القوي المسؤول عن المغناطيسية الحديدية بوساطة الموجة الحاملة. نظهر أيضا أن الدقة الطيفية لإشارة الخلط رباعي الموجات تسمح للمرء باستخراج توقيعات واضحة ل (s ، التهجين p)-D في هذا النظام ، على عكس تقنيات التحليل الطيفي الخطي. ترجع هذه الحساسية المتزايدة إلى عدم خطية التقنية ، مما يثبط المساهمات المرتبطة بالعيوب في الاستجابة البصرية. يمكن استخدام هذه الطريقة لقياس المقياس الزمني لاضمحلال التماسك (المرتبط بأسرع عمليات التشتت) في مجموعة متنوعة من أنظمة أشباه الموصلات ذات الأهمية للجيل التالي من الإلكترونيات والإلكترونيات الضوئية.

المقدمة

تظهر أشباه الموصلات المغناطيسية المخففة < "jove_content" >III-V اقتران مغناطيسي حديدي بوساطة ناقلات (ثقوب) ، مما يسمح بالتلاعب الخارجي بالخصائص المغناطيسية باستخدام التحكم الكهربائي والبصري في مجموعة الموجة الحاملة. هذه الميزة تجعل هذه المواد جذابة لمجموعة كاملة من الأجهزة الإلكترونية والإلكترونية الضوئية الحساسةللمغناطيسية 1-15 ، بما في ذلك التكامل المحتمل للمنطق والذاكرة. 11-15 يتطلب تحقيق مثل هذه التطبيقات فهما جيدا للخصائص الأساسية لهذه المواد. ومع ذلك ، فإن الكثافة الكبيرة للعيوب المرتبطة بنموها في درجات حرارة منخفضة (ضرورية للدمج البديل للمنشطات المغناطيسية مثل Mn) تعقد بشدة المعالجة النظرية لاقتران التبادل والترتيب المغناطيسيالحديدي 16-18. تعيق هذه العيوب أيضا تفسير النقل والتجارب البصرية الخطية على هذه المواد19-24.

< p class = "jove_content"> تم الكشف مؤخرا عن فائدة التقنية البصرية غير الخطية للتحليل الطيفي للخلط رباعي الموجات لاكتساب نظرة ثاقبة جديدة لهذه المواد في التجارب التي أجريت على GaMnAs25،26 ، والتي تمثل النموذج الأولي لأشباه الموصلات المغناطيسية المخففة III-V. تبين أن اللاخطية لهذه التقنية توفر حساسية أكبر بكثير للبنية الدقيقة في كثافة المفصل البصري للحالات ، مما يشير إلى تحسين قوي للاستجابة البصرية بين النطاقات مع دمج Mn25. هذه الملاحظة هي توقيع على التهجين (s ، p) -d الذي تم التنبؤ به مؤخرا في حسابات الربطالضيق 18.تم توفير هذه البصيرة الجديدة من خلال العزم ثنائي القطب البصري المنخفض المرتبط بالتحولات التي تنطوي على حالات عيب الفجوة المتوسطة ، والتي تخفي تأثيرات التهجين هذه في التجارب البصرية الخطية27. كما تم استخدام الدقة الزمنية العالية لتقنية الخلط رباعي الموجات للحصول على أول قياس مباشر للمقياس الزمني لتشتت الوجه الدوراني للثقب المنغنيز في هذا النظام26 ،توفير نظرة ثاقبة جديدة لاقتران التبادل. أظهرت هذه التجارب أيضا أن الاستجابة البصرية لهذه المادة هي صدى فوتون ، مما يشير إلى أن وقت الاستهلاك مستقل عن طاقة الموجة الحاملة على الرغم من التوطين الناجم عن العيوب.

< p class = "jove_content">نقدم هنا وصفا مفصلا لتقنية الخلط رباعي الموجات المستخدمة في المراجع25،26 ، موضحا كيف يمكن استخدامها لقياس وقت الإهمال (T2) ، والاستجابة الطيفية غير الخطية (من الدرجة الثالثة) ، وطبيعة التوسع (متجانسة أو غير متجانسة) في مادة ذات أهمية. يتم عرض التكوينات التجريبية التي تم حلها طيفيا والتي تم حلها مؤقتا ، جنبا إلى جنب مع شرح للارتباط التلقائي في الخلفية الصفرية تقنية تستخدم جنبا إلى جنب مع ضاغط المنشور لتقليل مدة النبضة في موضع العينة. تحدد مدة النبضة هذه الدقة الزمنية الإجمالية للتقنية ويجب أن تكون أقل من 30 fsec لحل التشتت الدوراني في GaMnAs. كما يتم تسليط الضوء على عملية النقش المستخدمة لإعداد عينات GaMnAs للتجارب في هندسة الإرسال. يعتمد هذا العمل على المنفعة الراسخة لتقنيات الخلط رباعي الموجات لدراسة التشتت العمليات وتأثيرات الأجسام المتعددة في أشباه الموصلاتالتقليدية 28-32 من خلال توسيعها لتشمل التحقيق في التفاعلات الأساسية والبنية الإلكترونية في أشباه الموصلات المغناطيسية المخففة. سيكون لنتائجنا آثار على الهندسة طويلة الأجل لهذه المواد المغناطيسية الجديدة.

البروتوكول

< p class = "jove_title" >1. نظرة عامة على الجهاز البصري

  1. قم بإعداد مرآتين وقزحية العين لتحديد مسار الإدخال للإعداد البصري ، كما هو موضح في الشكل 1. كل يوم ، يجب استخدام هذه القزحية والمرايا لاستعادة محاذاة الإعداد. نظرا لأن الليزر ينجرف يوما بعد يوم ، فإن العديد من التكرارات للمحاذاة مطلوبة على أساس يومي للحفاظ على المحاذاة المثلى.
  2. قم ببناء ضاغط نبضي يحتوي على منشورين ، كما هو موضح في الشكل 1. يقدم ضاغط النبض تشتت سرعة المجموعة السالب للتعويض عن تشتت سرعة المجموعة الإيجابية الناجم عن العدسات والنوافذ البصرية في الطريق إلى العينة. يتم تحديد مقدار تعويض تشتت سرعة المجموعة من خلال الفصل بين المنشورات (الخشنة) وكمية الزجاج التي ينتشر من خلالها الشعاع في المنشور الثاني (ناعم). يتم تعديلها بشكل متكرر لتحسين مدة النبضة أثناء اكتشاف الارتباط التلقائي للنبض (انظر القسم 2.)
  3. أدخل مقسم شعاع 50/50 لتقسيم النبضات الواردة من الليزر إلى نبضتين للإثارة ، E1 و E2.
  4. قم بإعداد خط تأخير بصري للنبضة E1 باستخدام زوج من المرايا المثبتة على مرحلة الترجمة اليدوية. تستخدم هذه المرحلة لإجراء تعديلات تقريبية للتأخير بين النبضات E1 و E2. ملاحظة: يجب على المرء التأكد من أن المسار البصري في زوج المرآة مواز لمحور حركة مرحلة الترجمة وأن المرايا محاذاة عند 45 درجة مع بعضها البعض ولا تدخل انحرافا رأسيا.
  5. قم بإعداد خط تأخير بصري للنبض E2 باستخدام مجموعة من المرايا ومنظار بصري يرسل الشعاع لأسفل على عاكس رجعي خفيف الوزن مثبت على مخروط مكبر الصوت. يقلل تركيب السماعة عموديا من الحركة اللاتوافقية للسماعة الناتجة عن وزن العاكس الرجعي بالإضافة إلى الحركة الضارة (الاهتزاز) للعاكس العكسي أثناء تحرك السماعة.
    ملاحظة: يجب على المرء التأكد من أن مسار الشعاع في العاكس الرجعي مواز لمحور حركة السماعة (أي رأسي). جنبا إلى جنب مع مولد الوظائف ومكبر الصوت الحالي ، تسمح السماعة بمسح تأخير النبضات بسرعة أثناء التجربة. هناك حاجة إلى مكبر الصوت الحالي لضمان سعة حركة كبيرة بما فيه الكفاية للسماعة (>1 مم). يحدد الجزء الخطي من رمية السماعة إجمالي نطاق تأخير النبضة الذي يمكن الوصول إليه في التجربة.
  6. تأكد من أن الحزمتين البصريتين متوازيتان ، وأدخل عدسة واحدة (قطر 5 سم ، الطول البؤري 50 سم) في مسار الحزمتين ، كما هو موضح في الشكل 1. تستخدم هذه العدسة لتركيز الحزمتين على العينة الموجودة في ناتج التبريد البصري ، مما يسمح بالاحتفاظ بالعينة في أي درجة حرارة مطلوبة بين 4-300 كلفن.
  7. يتم تحسين التداخل المكاني والزماني في موضع العينة عن طريق إجراء ارتباط تلقائي عند تركيز مكافئ استعدادا لاكتشاف إشارة الخلط رباعية الموجات. (يتم وصف محاذاة الارتباط التلقائي في القسم 2.).
  8. بالنسبة للتجارب المدمجة زمنيا التي تم حلها طيفيا (SR-FWM)، أرسل انبعاث الخلط رباعي الموجات إلى أحادي اللون، مع إضافة عدسة للتركيز في فتحة الإدخال.
  9. ضع كاشف أنبوب المضاعف الضوئي عالي السرعة (PMT) بعد أحادي اللون للكشف عن انبعاث الخلط رباعي الموجات الذي تم حله طيفيا. ملاحظة: يجب تشغيل الجهد العالي المطبق على PMT فقط مع PMT في الظلام.
  10. قم بتوصيل إشارة خرج PMT براسم الذبذبات.
  11. باستخدام مولد دالة ومضخم حالة، اضبط السماعة على التذبذب عند 30 هرتز تقريبا لإدخال تباين دوري للتأخير الزمني بين النبضات E1 وE2. قم بإجراء قياس لإشارة SR-FWM (إشارة PMT) مقابل تأخير النبضة باستخدام راسم الذبذبات. يتم تحديد معايرة المحور الزمني لراسم الذبذبات باستخدام إشارة الارتباط التلقائي، كما هو موضح في القسم 2.
  12. بالنسبة للخلط رباعي الموجات (TR-FWM) الذي تم حله بمرور الوقت ، أدخل مقسم شعاع 50/50 ثان لإنشاء نبضة ليزر ثالثة (تسمى نبضة البوابة) ، كما هو موضح في الشكل 1.
  13. قم بإعداد خط تأخير بصري منفصل لنبضة البوابة. يحتوي خط التأخير هذا على مجموعة من المرايا المثبتة على مرحلة الترجمة اليدوية للضبط الخشن لتأخر نبضة البوابة، ومكبر صوت ثان للمسح السريع لتأخر نبضة البوابة.
  14. قم بإزالة العدسة الموجودة أمام أحادي اللون وأدخل مرآة لالتقاط شعاع الخلط رباعي الموجات.
  15. أدخل عدسة لتركيز انبعاث الخلط رباعي الموجات، جنبا إلى جنب مع نبضة البوابة، في قطع بلوري غير خطي من بيتا باريوم بورات (BBO) لمطابقة المرحلة من النوع الأول ل 800 نانومتر عند الحدوث العادي. قم بإجراء قياس للشدة التوافقية الثانية كدالة لتأخير نبضة البوابة باستخدام PMT آخر عالي السرعة.
  16. قم بإعداد مسار لقياسات الارتباط التلقائي عن طريق إدخال مرآة مستوية كبيرة أمام جهاز التبريد. تستخدم هذه المرآة لإعادة توجيه كل من نبضات E1 و E2 إلى تركيز ثان. هنا ، ضع بلورة BBO ثانية. ملاحظة: يجب حظر حزم الإدخال أثناء حركة هذه المرآة المستوية لتجنب الانعكاسات الخطرة.
  17. قم بإجراء قياس للإشارة التوافقية الثانية الناتجة عن تداخل النبضات E1 و E2 كدالة لتأخير النبضة التداخل ، والتي يتم مسحها ضوئيا باستخدام السماعة في مسار النبضة E2. يتم الكشف عن الإشارة التوافقية الثانية باستخدام الصمام الثنائي الضوئي السريع وراسم الذبذبات. خلال هذا القياس ، تم تحسين محاذاة ضاغط النبض لتوفير الحد الأدنى من مدة النبضة الممكنة ، كما هو موضح بمزيد من التفصيل في الفرع 2.
< p class = "jove_title" >2. قياس النبض وتحسينه

  1. أدخل مرآة مستوية كبيرة لإعادة توجيه النقطة المحورية لحزم الإثارة من العينة إلى التركيز الثانوي ، كما هو موضح في الشكل 1.
  2. ضع بلورة BBO في النقطة المحورية. يستخدم هذا لتوليد توافقي ثان من مزيج نبضتي الإدخال E1 و E2. يجب أن يسمح حامل البلورة بالتعديلات على طول المحاور المكانية الثلاثة بالإضافة إلى الدوران.
  3. ضع مرشحا بصريا قصير التمرير بعد البلورة التي ترفض ضوء 800 نانومتر وتنقل ضوء 400 نانومتر.
  4. يجب أن تكون حزمتان بنفسجيتان مرئيتين على بطاقة بيضاء موضوعة بعد المرشح. تتوافق هذه الحزم مع التوافقي الثاني من كل نبضة E1 و E2 وحدها. اضبط زاوية دوران البلورة بحيث تكون في منتصف المسافة تقريبا بين الزوايا مما يعطي أقصى سطوع لكل من النقطتين الخارجيتين. ستكون هذه هي الزاوية التقريبية التي تعمل على تحسين شعاع الارتباط التلقائي للخلفية الصفرية من التوافقي الثاني من مزيج نبضتي الإدخال E1 و E2.
  5. اضبط طول مسار نبضة E1 حتى تظهر بقعة توافقية ثانية مركزية. هذه البقعة هي الارتباط التلقائي للخلفية الصفرية الناتجة عن الجمع بين E1 و E2.
  6. أدخل الصمام الثنائي الضوئي السريع من السيليكون في مسار البقعة التوافقية الثانية المركزية.
  7. قم بتغيير طول مسار النبضة E2 بشكل دوري باستخدام مولد دالة ومكبر للصوت للتحكم في حركة السماعة في المسار E2 ، كما هو موضح في القسم 1.
  8. قم بتوصيل الصمام الثنائي الضوئي براسم الذبذبات وسجل الارتباط الذاتي المرصود. لعرض الارتباط التلقائي بشكل صحيح ، قم بتشغيل راسم الذبذبات على نبضة TTL من مولد الوظيفة. قد تحتاج نبضة الزناد TTL إلى التأخير باستخدام مولد تأخير رقمي للسماح بملاحظة الارتباط التلقائي على إعداد محور زمني مناسب على راسم الذبذبات.
  9. اضبط طول مسار النبضة E1 باستخدام مرحلة الترجمة اليدوية ولاحظ كيف يغير هذا الضبط الموضع الزمني لذروة الإشارة التوافقية الثانية على راسم الذبذبات. يمكن استخدام مواضع الميكرومتر المسجلة لموضعين متتاليين للذروة لتحويل محور وقت راسم الذبذبات إلى تأخير النبضة (بالفيمتو ثانية).
  10. اضبط مواضع المنشورين في ضاغط النبض أثناء عرض إشارة الارتباط التلقائي على راسم الذبذبات للتأكد من أن ذروة الارتباط التلقائي ضيقة قدر الإمكان. كان الحد الأدنى لمدة النبضة التي تم تحقيقها في هذه التجارب حوالي 20 fsec.
< p class = "jove_title" >3. تحضير العينة

  1. بالنسبة لتجارب الخلط المكونة من أربع موجات ، تتكون العينة من ركيزة GaAs 500 ميكرومتر ، وطبقة حفر AlGaAs 175 نانومتر وطبقة رقيقة 750 نانومتر من GaMnAs. نمت هذه العينة عن طريق epitaxy الحزمة الجزيئية في جامعة نوتردام.
  2. يتم إجراء تجارب الخلط المكونة من أربع موجات في هندسة الإرسال ، ونتيجة لذلك ، يجب إزالة الركيزة. ضع حبة صغيرة من المادة اللاصقة البصرية على نافذة من الياقوت. يوفر الياقوت ركيزة ممتازة للتجارب في درجات حرارة منخفضة نظرا لشفافيته الجيدة وموصليته الحرارية الكبيرة. ضع العينة مع وضع الفيلم الرقيق GaMnAs متجها لأسفل على المادة اللاصقة البصرية واضغط عليها لأسفل بشكل موحد لإزالة الغراء الزائد من تحت سطح العينة.
  3. عالج المادة اللاصقة البصرية عن طريق تعريض العينة لمصباح الأشعة فوق البنفسجية لمدة 6 ساعات تقريبا. يجب أن يكشف إشعاع المصباح العينة من جانب الياقوت لمعالجة المادة اللاصقة.
  4. استخدام نظام تلميع / طحن ميكانيكي (على سبيل المثال Buehler Beta Grinder-Polisher) ، قم بإزالة 300-400 ميكرومتر من الركيزة. هذه الخطوة تقلل بشكل كبير من الوقت اللازم للنقش الكيميائي.
  5. قم بإزالة الركيزة المتبقية عن طريق غمر العينة في محلول حامض الستريك (5 أجزاء 6.28 م) وبيروكسيد الهيدروجين (جزء واحد ، محلول 30٪). عند الوصول إلى طبقة الحفر المتوقفة ، ستنتقل العينة من اللون الرمادي الباهت إلى تشطيب يشبه المرآة ، مما يشير إلى أنه يمكن إزالتها من المحلول. متوسط معدل الحفر ل GaAs هو 20 ميكرومتر / ساعة وبالنسبة ل AlGaAs هو 160 نانومتر / ساعة لهذا المحلول.
  6. قم بإزالة العينة من المحلول الحمضي واشطفها بالماء منزوع الأيونات ، متبوعا بالأسيتون الطيفي ، ثم الميثانول.
  7. قم بتركيب العينة في ناظم البرد البصري عند النقطة المحورية للحزم E1 و E2. قم بإخلاء وتبريد ناظم البرد إلى درجة الحرارة المطلوبة.

4. قياس إشارة الخلط رباعية الموجات

  1. بمجرد تحسين إشارة الارتباط التلقائي ، يتم تركيب العينة في ناظم التبريد ، وتم تبريد ناظم البرد ، قم بإزالة المرآة المسطحة الكبيرة المستخدمة لإعادة توجيه تركيز الليزر.
  2. لإجراء تجارب SR-FWM ، قم بتركيز شعاع إشارة الخلط رباعي الموجات في أحادي اللون. لتحديد موقع حزمة إشارة الخلط رباعية الموجات ، حدد أولا موقع النقاط المرسلة E1 و E2 على أداة محاذاة (مع المتجهات الموجية k1 و k2) واستخدم مواقعها لتحديد الموضع المتوقع لحزمة إشارة الخلط رباعية الموجات (2k2 - k1).
  3. ضع PMT عالي السرعة عند إخراج أحادي اللون وقم بتوصيله براسم الذبذبات. ملاحظة: يجب تشغيل انحياز الجهد العالي على أنبوب المضاعف الضوئي فقط باستخدام الكاشف في الظلام.
  4. مع تشغيل مولد الوظيفة ومكبر للصوت ، مما يؤدي إلى حركة دورية للسماعة في مسار النبضة E2 ، استخدم برنامج الحصول على البيانات لتسجيل تتبع راسم الذبذبات لكل إعداد الطول الموجي المطلوب لللون الأحادي. يتكون هذا التتبع من إشارة الخلط رباعي الموجات مقابل التأخير بين النبضات E1 و E2. يتم حساب متوسط التتبع على مدى عدة عمليات مسح ، يتم اختيار عددها باستخدام راسم الذبذبات الرقمي.
    ملاحظة: النطاق الديناميكي في هذه الحالة محدود بالمحول التناظري إلى الرقمي في راسم الذبذبات. إذا كان الهيكل التفصيلي في ذيل الإشارة مطلوبا ، فيمكن للمرء إما زيادة حساسية مقياس الجهد أو الحصول على إشارة الخلط رباعي الموجات باستخدام لوحة الحصول على البيانات السريعة بدلا من راسم الذبذبات
  5. لإجراء قياسات TR-FWM، قم بإزالة العدسة التي تركز على الشعاع في أحادي اللون وأدخل مرآة لالتقاط شعاع إشارة الخلط رباعي الموجات.
  6. قم بتركيز شعاع الخلط رباعي الموجات ونبضة البوابة في بلورة BBO ، متبوعا بمرشح بصري يمرر فقط حزمة التردد المجمع.
  7. قم بإجراء قياس للارتباط المتبادل للإشارة ونبضة البوابة باستخدام PMT. قم بتغيير تأخير نبضة البوابة عن طريق توصيل مولد الوظائف ومكبر الصوت بالسماعة في مسار نبضة البوابة.
  8. سجل إشارة TR-FWM باستخدام برنامج الحصول على البيانات لتسجيل تتبع راسم الذبذبات للقيم الثابتة للتأخير بين النبضات E1 وE2، والتي يمكن ضبطها باستخدام مرحلة الترجمة اليدوية في مسير الحزمة للنبضة E1.

النتائج

تظهر النتائج النموذجية لتجربة SR-FWM على GaxMn1-xAs (x = 0.005 %) في الشكل 2(b)، جنباً إلى جنب مع نتائج عينة مرجعية من GaAs نمت تحت ظروف درجات حرارة منخفضة مماثلة (الشكل 2(a)). ويستدل على نجاح التجارب من خلال نسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية، مما يسمح بتقدير التغيرات في سعة الإشارة (المشار إليها بمقياس الألوان) بوضوح مع كل من التأخير الزمني وطاقة الفوتون. وتتحقق نسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية عن طريق تحسين موضع العينة بعناية لتحديد بقعة واضحة على العينة بأقل قدر من الضوء المشتت من نبضات الإثارة. كما يتطلب نجاح التجربة أن يكون سمك العينة قابلاً للمقارنة مع عمق الامتصاص لطاقة الفوتون لنبضات الإثارة؛ وهذا يزيد من الإشارة الضوئية من العينة دون إدخال تأثيرات الانتشار التي من شأنها أن تعقد التحليل. وبالنسبة للنتائج الموضحة في الشكل 2، كانت الكثافة الضوئية 0.2. ويُعزى اتساع إشارة SR-FWM نحو الطاقات العالية في GaMnAs مقارنة بـ GaAs إلى تأثير تهجين (s,p)-d لذرات Mn الاستبدالية داخل بلورة GaAs المضيفة على كثافة حالات حزمة التكافؤ25.

يظهر جزء من بيانات SR-FWM ثنائية الأبعاد في الشكل 2(ب) في الشكل 3(أ) لطاقة فوتون ثابتة قدرها 1.533 eV، مما يوضح اعتماد الإشارة على التأخير الزمني بين نبضات الإثارة. يمكن مواءمة هذه الإشارة المعتمدة على التأخير باستخدام نموذج تحليلي33 مدمج مع ملف نبضة الليزر المحدود (الذي تم قياسه باستخدام تقنيات الارتباط الذاتي ذات الخلفية الصفرية)، مما يسمح باستخلاص زمن تلاشي الطور لأزواج الإلكترون-ثقب (T2 = 65 fsec للبيانات المعروضة). وتتم الإشارة إلى هذه الموائمات بالمنحنيات المتصلة في الشكل 3. إذا لعبت تأثيرات الأجسام المتعددة دوراً قوياً في العينة قيد الدراسة، فقد يتطلب الأمر تحليلاً أكثر تعقيداً34,35. وهذا هو الحال بالنسبة لبيانات SR-FWM في GaAs المنماة في درجات حرارة منخفضة في الشكل 2(أ) عند الإكسيتون (1.515 eV)، حيث يتم توسط الإشارة عن طريق تشتت الإكسيتون مع انتقالات الحوامل الحرة34. أما في GaMnAs للطاقات التي تزيد عن فجوة النطاق لـ GaAs، فإن نموذج المستويين الأبسط يوفر توافقاً جيداً، مما يشير إلى عدم وجود دليل على تأثيرات الأجسام المتعددة. وتساهم هذه التأثيرات بشكل أقوى بكثير في GaAs التقليدي المنماة في درجات حرارة مرتفعة25,26,35.

تظهر نتائج تجارب TR-FWM على عينة GaMnAs نفسها في الشكل 3(ب). وبالنسبة لهذه البيانات، يبلغ التأخير بين نبضتي الإثارة 54 fsec، ويمثل المحور الأفقي غلاف الإشارة مقابل وقت وصول نبضة البوابة بالنسبة لنبضة إشارة خلط الموجات الأربع عند بلورة BBO. ويوفر موضع ذروة الإشارة في تجارب TR-FWM وسيلة للتمييز بين الانتقالات الضوئية ذات التوسيع المتجانس وتلك ذات التوسيع غير المتجانس، كما هو موضح تخطيطياً في الشكل 4. وفي الحالة الأخيرة، يؤدي الإثارة المتزامنة للانتقالات الضوئية ذات نطاق من طاقات الرنين إلى إعادة طور الاستقطابات عند جميع الطاقات في زمن t ≈ 2tD، حيث t هو وقت وصول نبضة البوابة بالنسبة لنبضة خلط الموجات الأربع، و tD هو التأخير بين النبضتين E1 و E2. وهنا، يمثل t = 0 وقت وصول النبضة E1. وفي الشكل 3(ب)، تكون tD = 54 fsec، وتصل إشارة TR-FWM إلى ذروتها عند t ≈ 100 fsec، مما يشير إلى استجابة صدى فوتوني للانتقالات الضوئية بين النطاقات في هذا النظام. وتظهر إشارة TR-FWM لمجموعة من قيم التأخير بين النبضات tD في الشكل 5، مما يشير إلى إزاحة الإشارة نحو قيم t أكبر مع زيادة tD. ويشير الاتفاق المتزامن الممتاز بين النموذج التحليلي وكل من نتائج SR-FWM (الشكل 3(أ)) و TR-FWM (الشكل 3(ب)) إلى أن تأثيرات الأجسام المتعددة لا تساهم بشكل كبير، وأن معدل إزالة الطور مستقل عن طاقة انتقال أزواج الإلكترون-ثقب، على الرغم من التموضع الناجم عن العيوب في هذا النظام. ومن خلال المقارنة مع البيانات في GaAs المنمو عند درجات حرارة منخفضة وكذلك GaAs المنمو عند درجات حرارة عالية، تم تحديد عملية إزالة الطور السائدة على أنها تشتت قلب المغزل لثقب-Mn26، مما يوفر رؤية جديدة للتفاعل التبادلي المسؤول عن الترتيب الفيرومغناطيسي في هذا النظام.

مخطط لإعداد مطيافية فائقة السرعة يوضح مسار الليزر، والمبرد (cryostat)، وضغاط النبضات، وأنبوب التضاعف الضوئي (PMT).
الشكل 1. مخطط تخطيطي لجهاز خلط الموجات الأربع.

أطياف الامتصاص العابر، مخطط الزمن-الطاقة؛ مخطط يوضح التغيرات الطيفية بمرور تأخير الزمن.
الشكل 2. نتائج SR-FWM من قياسات على GaAs المنمي في درجات حرارة منخفضة (يساراً) و Ga1-xMnxAs لـ x = 0.005 % (يميناً). يمثل المحور الرأسي طاقة الفوتون التي تم عندها اكتشاف الإشارة، والتي تم اختيارها باستخدام الموحد اللوني (monochromator)، ويمثل المحور الأفقي التأخير بين النبضتين E1 و E2. تم أخذ جميع البيانات المعروضة والعينات عند درجة حرارة 10 K. مقتبس بإذن من المرجع25.

رسوم بيانية لطيف الامتصاص العابر؛ التأخير مقابل الزمن؛ طاقة الفوتون 1.533 eV؛ مطابقة الإشارة.
الشكل 3. (أ) نتائج SR-FWM مقابل تأخير النبضات البينية في Ga1-xMnxAs حيث x = 0.005% عند طاقة فوتون تبلغ 1.533 eV؛ (ب) نتائج TR-FWM في العينة نفسها مقابل زمن وصول نبضة البوابة بالنسبة لنبضة خلط الموجات الأربع عند بلورة BBO المستخدمة لتوليد مجموع الترددات، مما يوضح الغلاف الزمني لنبضة خلط الموجات الأربع. بالنسبة لهذه البيانات، تم تثبيت التأخير بين النبضتين E1 و E2 عند 54 fsec. تمثل الخطوط المتصلة عمليات المطابقة باستخدام النموذج التحليلي في المرجع33. تم أخذ جميع البيانات المعروضة والعينة عند درجة حرارة 10 K. الجزء (ب) مقتبس بإذن من المرجع26.

التوسيع المتجانس مقابل التوسيع غير المتجانس؛ مخطط الإثارة الضوئية؛ مفهوم التحليل الطيفي.
الشكل 4. تمثيل تخطيطي لنظام ثنائي المستوى ذو توسيع متجانس (يساراً) وتوسيع غير متجانس (يميناً).

رسم بياني لمطيافية الامتصاص العابر يوضح بيانات وقت التأخير لتحليل الإثارة الضوئية.
الشكل 5. نتائج TR-FWM لمركب Ga1-xMnxAs حيث x = 0.005% كدالة لوقت وصول نبضة البوابة بالنسبة لنبضة خلط الموجات الأربع عند بلورة BB0 المستخدمة لتوليد التردد المجموع. يظهر الإشارة لقيم مختلفة من التأخير بين النبضتين E1 و E2، والموضحة على المحور الرأسي.

المناقشة

يمكن استخدام تقنية الخلط رباعي الموجات لقياس المقياس الزمني لاضمحلال التماسك على التحولات البصرية في مجموعة واسعة من أنظمة المواد. بالنسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات في الإلكترونيات والإلكترونيات الضوئية المتقدمة ، فإن وقت التخلص من المراحل هذا له أهمية حاسمة. على سبيل المثال ، في تطبيقات الحوسبة الكمومية (التي تمثل انتقالات الإكسيتون في أشباه الموصلات البت الكمي الأساسي في العديد من المقترحات36-38)، يحدد وقت التخلص من المراحل النافذة الزمنية التي يجب خلالها تنفيذ العمليات الكمومية وتصحيح الأخطاء. يتم تحديد المقياس الزمني لاضمحلال التماسك من خلال أسرع عمليات تشتت الإلكترونات والثقوب في المادة ، وبالتالي فإن قياسات وقت التخلص من المراحل توفر أيضا نظرة ثاقبة لطبيعة وقوة التفاعلات المرتبطة المسؤولة عن عمليات التشتت السريع هذه. يعتمد نوع التفاعلات المعنية بشدة على نظام أشباه الموصلات قيد الدراسة ، وسيتحكم في كل من اضمحلال النقل والتماسك في أي تطبيق جهاز يستخدم هذه المادة. لذلك توفر طريقة الخلط رباعي الموجات أداة مهمة لتوصيف المواد ذات الأهمية للجيل التالي من الأجهزة الإلكترونية والإلكترونية الضوئية. في مثل هذه الدراسات ، تكون الدقة الزمنية هي أهم قيود. يتم تحديد هذه الدقة من خلال مدة النبضة الضوئية ، والتي يجب أن تكون أقصر من وقت التخلص من المراحل في المادة قيد الدراسة. يتم تطبيق التكوين التجريبي المحدد الموصوف هنا بشكل مثالي لدراسة عمليات الاضمحلال السريع (< بضع بيكو ثانية في المدة). لقياس الديناميكيات الزمنية البطيئة ، يتم استخدام طرق الكشف عن القفل ومرحلة تأخير المسح البطيء مع نطاق أكبر من الحركة.

نوضح هنا فائدة هذه التقنية للتحقيق في أشباه الموصلات المغناطيسية المخففة III-V ، حيث يؤدي اقتران تبادل الثقب والمنغنيز القوي إلى المغناطيسية الحديدية بوساطة الناقل. يحدث تشتت الدوران بين الثقوب وأيونات المنغنيز أيضا بسبب تفاعل تبادل الثقب والمنغنيز. لقد أظهرنا أنه يمكن استخدام تقنيات الخلط رباعي الموجات للحصول على قياس مباشر للمقياس الزمني لهذه العملية ، مما يوفر نظرة ثاقبة لاقتران التبادل في هذه الفئة المهمة من المواد. لقد أظهرنا أيضا أن اللاخطية لتقنية الخلط رباعي الموجات توفر مسبارا شديد الحساسية لحالات حافة النطاق في هذه المواد ، مما يوفر توقيعات واضحة لعملية التهجين (s ، p) -d التي هي أصل اقتران التبادل القوي في هذا النظام. الحساسية المتزايدة للخلط رباعي الموجات بالنسبة للتقنيات البصرية الخطية (على سبيل المثال. ينبع الامتصاص ، قياس القطع الناقص ، ازدواجية اللون الدائرية المغناطيسية) لحالات حافة النطاق هذه من اللاخطية لهذه التقنية ، والتي تمنع المساهمات المتعلقة بالعيوب في الاستجابة البصرية.

يضع هذا العمل الأساس لتطبيقات هذه التقنية لدراسة الخصائص الفيزيائية الرئيسية ذات الأهمية ، مثل الهيكل الإلكتروني واقتران التبادل ، في مجموعة واسعة من أشباه الموصلات المغناطيسية المخففة III-V. سيسمح ذلك بهندسة هذه المواد للتطبيقات في spintronics أشباه الموصلات ، بما في ذلك مجموعة كاملة من الأجهزة الإلكترونية والإلكترونية الضوئية الحساسة للمغناطيسية.      

الإفصاحات

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

هذا البحث مدعوم من قبل مجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسة في كندا ، وشركة لوكهيد مارتن ، والمؤسسة الوطنية للعلوم (منحة DMR10-05851).

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
Ti: مذبذب الياقوتمتماسكميرابذرة جزء من نظام الليزر الكامل
مرحلة الترجمة اليدويةنيوبورت462الكمية: 2
مكونات بصرية / ميكانيكيةبصرية Thorlabs ، أخرىمختلفة
من مصدر الطاقة المنظم DCTenma72-6628
مولد وظيفةGW InstekGFG-8216A
مولد التأخير الرقميأنظمة أبحاث ستانفوردDG645
مكبر صوت مكبرسونيXM-222W
كاشف ضوئي السيليكونThorlabsPDA36A
أنبوب مضاعف ضوئيHamamatsu
راسم الذبذبات الرقميTektronixTDS2024B
Cryostat البصريجانيسST-300
حجر الزاوية 260 أحادياللون نيوبورتنيوبورت 74110
نافذة الياقوتالعامة الياقوت وحمض
الستريكسيجما-ألدريتشC1909
لاصق بصرينورلاندثورلاب NOA61
محلول بيروكسيد الهيدروجينسيجما ألدريتشH3410
منزوعةالأيونات من نظام المياه من النوع الأول
للصوت المياه

المراجع

  1. Onodera, K., Masumoto, T., Kimura, M. 980 nm compact optical isolators using Cd1-x-yMnxHgyTe single crystals for high power pumping laser diodes. Electron. Lett. 30, 1954-1955 (1994).
  2. Shen, A., Ohno, Y., Segawa, Y., Ohno, H. Faraday rotation of ferromagnetic (Ga,Mn)As. Electron. Lett. 34, 190-192 (1998).
  3. Ohya, S., Shimizu, H., Higo, Y., Sun, J., Tanaka, M. Growth and Properties of Quaternary Alloy Magnetic Seminconductor (InGaMn)As. Jpn. J. Appl. Phys. Part. 2, L24-L27 (2002).
  4. Wang, J., Sun, C., Kono, J., Oiwa, A., Munekata, H., Cywiński, L., Sham, L. J. Ultrafast Quenching of Ferromagnetism in InMnAs Induced by Intense Laser Irradiation. Phys. Rev. Lett. 95, 167401-167405 (2005).
  5. Zahn, J. P., Gamouras, A., March, S., Liu, X., Furdyna, J. K., Hall, K. C. Ultrafast studies of carrier and magnetization dynamics in GaMnAs. J. Appl. Phys. 107, 033908-033917 (2010).
  6. Rozkotova, E., Nemec, P., Tesarova, N., Maly, P., Novak, V., Olejnik, K., Cukr, M., Jungwirth, T. Coherent control of magnetization precession in ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As. Appl. Phys. Lett. 93, 232505-232508 (2008).
  7. Th, Magnetization manipulation in (Ga,Mn)As by subpicosecond optical excitation. Appl. Phys. Lett. 86, 152506-152509 (2005).
  8. Hall, K. C., Zahn, J. P., Gamouras, A., March, S., Robb, J. L., Liu, X., Furdyna, J. K. Ultrafast optical control of coercivity in GaMnAs. Appl. Phys. Lett. 93, 032504-032507 (2008).
  9. Reid, A. H. M., Astakhov, G. V., Kimel, A. V., Schott, G. M., Ossau, W., Brunner, K., Kirilyuk, A., Molenkamp, L. W., Th Rasing, Single picojoule pulse switching of magnetization in ferromagnetic (Ga,Mn)As. Appl. Phys. Lett. 97, 232503-232506 (2010).
  10. Rudolph, J., Hägele, D., Gibbs, H. M., Khitrova, G., Oestreich, M. Laser threshold reduction in a spintronic device. Appl. Phys. Lett. 82, 4516-4519 (2003).
  11. Roukes, M. L., Chtchelkanova, A. Y., Treger, D. M. Spintronics: A spin-based electronics vision for the future. Science. 294, 1488-1495 (2001).
  12. Awschalom, D. D., Loss, D., Samarth, N. Semiconductor Spintronics and Quantum Computation. , Springer-Verlag. Berlin. (2002).
  13. Datta, S., Das, B. Electronic analog of the electro-optic modulator. Appl. Phys. Lett. 56, 665-667 (1990).
  14. Hall, K. C., Lau, W. H., Gündoğdu, K., Flatté, M. E., Boggess, T. F. Nonmagnetic semiconductor spin transistor. Appl. Phys. Lett. 83, 2937-2939 (2003).
  15. Hall, K. C., Flatté, M. E. Performance of a spin-based insulated gate field effect transistor. Appl. Phys. Lett. 88, 162503-162505 (2006).
  16. Masek, J., Máca, D., Kudrnovsky, J., Makarovsky, O., Eaves, L., Campion, R. P., Edmonds, K. W., Rushforth, A. W., Foxon, C. T., Gallagher, B. L., Novák, V., Sinova, J., Jungwirth, T. Microscopic analysis of the valence band and impurity band theories of (Ga,Mn)As. Phys. Rev. Lett. 105, 227202-227205 (2010).
  17. Sheu, B. L., Myers, R. C., Tang, J. -M., Samarth, N., Awschalom, D. D., Schiffer, P., Flatté, M. E. Onset of ferromagnetism in low-doped Ga1-xMnxAs. Phys. Rev. Lett. 99, 227205-227208 (2007).
  18. Tang, J. -M., Flatté, M. E. Multiband tight-binding model of local magnetism in Ga1-xMnxAs. Phys. Rev. Lett. 92, 047201-047204 (2004).
  19. Jungwirth, T., Horodyská, P., Tasarová, N., Nĕmec, P., Subrt, J., Malý, P., Kuzel, P., Kadlec, C., Masek, J., Nemec, I., Orlita, M., Novák, M., Olejník, V., K, Z., Sobáň, Z., Vasek, P., Svoboda, P., Sinova, J. Systematic study of Mn-doping trends in optical properties of (Ga,Mn)As. Phys. Rev. Lett. 105, 227201(2010).
  20. Ohya, S., Takata, K., Tanaka, M. Nearly non-magnetic valence band of the ferromagnetic seminconductor GaMnAs. Nature Phys. 7, 342-347 (2011).
  21. Burch, K. S., Shrekenhamer, D. B., Singley, E. J., Stephens, J., Sheu, B. L., Kawakami, R. K., Schiffer, P., Samarth, N., Awschalom, D. D., Basov, D. N. Impurity band conduction in a high temperature ferromagnetic semiconductor. Phys. Rev. Lett. 97, 087208-087211 (2006).
  22. Acbas, G., Kim, M. -H., Cukr, M., Novák, V., Scarpulla, M. A., Dubon, O. D., Jungwirth, T., Sinova, J., Cerne, J. Electronic structure of ferromagnetic semiconductor Ga1-xMnxAs probed by subgap magnetooptical spectroscopy. Phys. Rev. Lett. 103, 137201-137204 (2009).
  23. Berciu, M., Chakarvorty, R., Zhou, Y. Y., Alam, M. T., Traudt, K., Jakiela, R., Barcz, A., Wojtowicz, T., Liu, X., Furdyna, J. K., Dobrowolska, M. Origin of magnetic circular dichroism in GaMnAs: Giant Zeeman splitting versus spin dependent density of states. Phys. Rev. Lett. 102, 247202-247205 (2009).
  24. de Boer, T., Gamouras, A., March, S., Novák, V., Hall, K. C. Observation of a blue shift in the optical response at the fundamental band gap in Ga1-xMnxAs. Phys. Rev. B. 85, 033202-033206 (2012).
  25. Yildirim, M., March, S., Mathew, R., Gamouras, A., Liu, X., Dobrowolska, M., Furdyna, J. K., Hall, K. C. Electronic structure of Ga1-xMnxAs probed by four-wave mixing spectroscopy. Phys. Rev. B. 84, 121202(R)-121206(R) (2011).
  26. Yildirim, M., March, S., Mathew, R., Gamouras, A., Liu, X., Dobrowolska, M., Furdyna, J. K., Hall, K. C. Interband dephasing and photon echo response in GaMnAs. Appl. Phys. Lett. 101, 062403-062406 (2012).
  27. Burch, K. S., Stephens, J., Kawakami, R. K., Awschalom, D. D., Basov, D. N. Ellipsometric study of the electronic structure of Ga1-xMnxAs and low temperature GaAs. Phys. Rev. B. 70, 205208-205217 (2004).
  28. Kim, D. -S., Shah, J., Cunningham, J. E., Damen, T. C., Schäfer, W., Hartmann, M., Schmitt-Rink, S. Giant excitonic resonance in time-resoled four-wave mixing in quantum wells. Phys. Rev. Lett. 68, 1006-1009 (1992).
  29. Rappen, T., Peter, U., Wegener, M., Schäfer, W. Coherent dynamics of continuum and exciton states studied by spectrally resolved fs four-wave mixing. Phys. Rev. B. 48, 4879-4882 (1993).
  30. Cundiff, S. T., Koch, M., Knox, W. H., Shah, J., Stolz, W. Optical coherence in semiconductors: Strong emission mediated by nondegenerate interactions. Phys. Rev. Lett. 77, 1107-1110 (1996).
  31. Hall, K. C., Allan, G. R., van Driel, H. M., Krivosheeva, T., Pötz, W. Coherent response of spin-orbit split-off excitons in InP: Isolation of many-body effects through interference. Phys. Rev. B. 65, 201201(R)-201204(R) (2002).
  32. Shah, J. Ultrafast Spectroscopy of Semiconductors and Semiconductor Nanostructures. Cardona, M. , Springer. Berlin. (1996).
  33. Yajima, T., Taira, Y. Spatial optical parametric coupling of picoseconds light pulses and transverse relaxation effect in resonant media. J. Phys. Soc. Jpn. 47, 1620-1626 (1979).
  34. El Sayed, K., Birkedal, D., Lyssenko, V. G., Hvam, J. M. Continuum contribution to excitonic four-wave mixing due to interaction-induced nonlinearities: A numerical study. Phys. Rev. B. 55, 2456-2465 (1997).
  35. Hügel, W. A., Heinrich, M. F., Wegener, M., Vu, Q. T., Bányai, L., Haug, H. Photon echoes from semiconductor band-to-band continuum transitions in the regime of coulomb quantum kinetics. Phys. Rev. Lett. 83, 3313-3316 (1999).
  36. Reina, J. H., Quiroga, L., Johnson, N. F. Quantum entanglement and information processing via excitons in optically driven quantum dots. Phys. Rev. A. 62, 012305-012312 (2000).
  37. Troiani, F., Hohenester, U., Molinari, E. Exploiting exciton-exciton interactions in semiconductor quantum dots for quantum-information processing. Phys. Rev. B. 62, R2263-R2266 (2000).
  38. Biolatti, E., Lotti, R. C., Zanardi, P., Rossi, F. Quantum information processing with semiconductors macroatoms. Phys. Rev. Lett. 85, 5647-5650 (2000).

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

قياس اضمحلال التماسكأشباه الموصلات من نوع GaMnAsتشتت قلب الغزلالتهجين (sp)-dالمطيافية ذات الدقة الزمنيةتقنية ضغط النبضةالارتباط الذاتي البصريالسبينترونيات في أشباه الموصلاتأشباه الموصلات المغناطيسية المخففة
قياس اضمحلال التماسك في GaMnAs باستخدام خلط الفيمتو ثانية رباعي الموجات
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.