Pomiar zaniku koherencji w GaMnas za pomocą femtosekundowego mieszania czterofalowego

Celem eksperymentu jest pomiar czasu niszczenia arsenku galu i manganu z wysoką rozdzielczością czasową przy użyciu techniki mieszania pełnofalowego. Osiąga się to za pomocą dwóch impulsów optycznych padających na próbkę z wektorami fal, K jeden i K dwa. Razem impulsy te wzbudzają przejścia optyczne, które są rezonansowe z impulsem laserowym, co skutkuje wzbudzeniem spójnej gęstości polaryzacji elektronowej.

Polaryzacja ta emituje światło w kierunku 2K dwa minus K jeden. Jest to sygnał mieszania czterech fal. Rozdzielczość czasowa tej techniki zależy od czasu trwania impulsu optycznego.

Czas ten jest minimalizowany poprzez pomiar szerokości automatycznej korelacji impulsów podczas regulacji kompresora impulsów. Automatyczna korelacja jest wykrywana poprzez pomiar natężenia drugiej harmonicznej generowanej przez impulsy para, w funkcji opóźnienia impulsu. Próbki do tych eksperymentów zostały wyhodowane za pomocą epitaksji wiązki molekularnej przez EK Ena i jego współpracowników z Uniwersytetu Notre Dame.

Przygotowuje się je do eksperymentów poprzez przyklejenie powierzchni do szafirowego okienka i usunięcie podłoża z próbką przy ognisku lasera, pomiar polega na natężeniu czterech fal mieszających emitowane światło w funkcji długości fali poprzez rozdzielczość widmową z wykorzystaniem opóźnienia monochromatycznego, jak i międzyimpulsowego. Obwiednia czasowa czterofalowego sygnału mieszającego jest również mierzona za pomocą trzeciego impulsu laserowego i wykonując korelację krzyżową tego impulsu zwaną bramką z sygnałem mieszania czterech fal poprzez generowanie pewnej częstotliwości. Ostatecznie uzyskuje się pomiar czasu niszczenia, zwany również czasem rozpadu T dwa lub czasem rozpadu koherencji dla par elektronowych.

Wzbudzony rezonansowymi przejściami międzypasmowymi w próbce półprzewodnikowej. Wyniki te można wykorzystać do rozróżnienia między izolowanym systemem dwupoziomowym a zbiorem ściśle rozmieszczonych przejść. To ostatnie prowadzi do tak zwanego echa fotonowego i reakcji mieszania czterech fal z rozdzielczością czasową.

Dzięki tej technice możemy rozwiązać w czasie najszybsze procesy rozpraszania elektronów i w układzie półprzewodnikowym. Badane procesy rozpraszania regulują zarówno transport, jak i rozpad koherencji, a zatem technika ta stanowi użyteczne narzędzie do badania materiałów półprzewodnikowych będących przedmiotem zainteresowania dla nowych urządzeń optycznych, elektronicznych i elektronicznych. Wykazaliśmy tutaj, że rozpad koherencji w arsenku galu i manganu zachodzi poprzez rozpraszanie spinu między otworami a jonami manganu, co pozwala nam uzyskać bezpośredni pomiar skali czasowej tego ważnego procesu.

Daje to nowe spojrzenie na sprzężenie wymienne odpowiedzialne za porządek magnetyczny FARO. W tym systemie gal, mangan, arsenek i inne materiały z rodziny trzech rozcieńczonych półprzewodników magnetycznych mogą ostatecznie umożliwić integrację funkcji logicznych i pamięciowych w sprzęcie komputerowym. Jest to część szerszej dziedziny badawczej spintroniki półprzewodnikowej, więc nasze wyniki mają implikacje dla długoterminowej inżynierii tych materiałów, ilustrując moc i elastyczność technik mieszania czterech fal w celu zrozumienia ich podstawowych właściwości. Układ optyczny do mieszania czterech fal w czasie i spektralnie rozdzielczości składa się z zestawu luster i tęczówek, które są używane każdego dnia do odzyskania podstawowego wyrównania wiązek optycznych w Instalacji.

Następnie następuje kompresor impulsów, który wprowadza ujemną dyspersję prędkości grupy, aby skompensować dodatnią dyspersję prędkości grupy spowodowaną przez soczewki i okna optyczne w drodze do próbki Po sprężarce rozdzielacz wiązki służy do dzielenia impulsów przychodzących z lasera na dwa impulsy wzbudzenia, E jeden i E dwa. Ścieżka dla E jeden zawiera parę luster zamontowanych na ręcznym stoliku translacyjnym, który służy do regulacji kursu opóźnienia między impulsami E pierwszy i E dwa. Ścieżka dla impulsu E dwa biegnie w dół na lekkim reflektorze retro na stożku głośnika.

Wraz z generatorem funkcyjnym i wzmacniaczem prądu głośnik umożliwia szybkie skanowanie opóźnienia impulsowego. Podczas eksperymentu dwie wiązki są następnie skupiane za pomocą pojedynczej soczewki na próbce, która jest zawarta w kriostacie optycznym. Pozwala to na utrzymywanie próbki w dowolnej pożądanej temperaturze od czterech kelwinów do 300 kelwinów.

W przypadku eksperymentów zintegrowanych z czasem spektralnie rozdzielczym, emisja mieszania czterech fal jest przepuszczana przez soczewkę na monochromatyczną i wykrywana za pomocą lampy powielacza zdjęć o dużej prędkości. Sygnał powielacza zdjęć jest mierzony w funkcji opóźnienia międzyimpulsowego, gdy skanowana jest pozycja głośnika. Użycie oscyloskopu do mieszania czterech fal z rozdzielczością czasową.

Trzeci impuls laserowy jest rozdzielany za pomocą innego rozdzielacza wiązki i wysyłany przez oddzielną linię opóźnienia optycznego, która zawiera inny głośnik. Impuls ten jest mieszany z sygnałem mieszania czterech fal w nieliniowym krysztale beta baru lub BBO, a powstałe światło o łącznej częstotliwości jest wykrywane przez inną lampę fotopowielacza. Czas trwania impulsów wzbudzenia jest mierzony i optymalizowany poprzez przekierowanie zarówno jednego impulsu wzbudzenia E, jak i dwóch impulsów wzbudzenia E do drugiego ogniska.

Kolejny kryształ BBO jest umieszczany jako drugi sygnał harmoniczny wynikający z nakładania się impulsów. E jeden i E dwa mierzy się w funkcji opóźnienia impulsu. Czas trwania impulsu mierzy się, wkładając najpierw duże zwierciadło płaskie w celu przekierowania punktu ogniskowego dwóch wiązek wzbudzenia z próbki do ogniska wtórnego.

Nieliniowy kryształ, który został wycięty w celu dopasowania fazowego typu 1 dla 800 nanometrów w normalnych zdarzeniach, jest umieszczany w punkcie centralnym. Uchwyt kryształu umożliwia regulację wzdłuż wszystkich trzech osi przestrzennych, a także obrót, filtr optyczny, który blokuje 800 nanometrów i przechodzi przez 400 nanometrów. Drugie światło harmoniczne z impulsów wzbudzenia jest umieszczane za kryształem nieliniowym.

Kąt kryształu, który optymalizuje drugą harmoniczną z połączenia obu impulsów wzbudzenia razem, jest normalnym wypadkiem lub w połowie odległości między kątami, co daje maksymalną jasność każdego z dwóch zewnętrznych punktów. Długość ścieżki impulsu E jeden jest regulowana do momentu, gdy na białej karcie pojawi się środkowa druga harmoniczna. Tym centralnym punktem jest automatyczna korelacja.

Szybka fotodioda używana do wykrywania automatycznej korelacji jest wyrównana z wiązką centralną. Włączane są generatory funkcyjne i wzmacniacz sterujący ruchem głośnika, co powoduje okresowe zmiany długości ścieżki impulsu. E dwa.

Uzyskany sygnał automatycznej korelacji można zaobserwować, podłączając fotodiodę do oscyloskopu. Oś czasu oscyloskopu można przekształcić na opóźnienie impulsu w femtosekundach poprzez skorelowanie długości ścieżki impulsu E jeden regulowanego przez ręczny stopień translacji z czasowym położeniem piku sygnału drugiej harmonicznej na oscyloskopie. Czas trwania impulsu jest minimalizowany poprzez regulację pryzmatów w kompresorze impulsów podczas oglądania sygnału automatycznej korelacji na oscyloskopie, dzięki czemu jest on tak wąski, jak to tylko możliwe.

Minimalny czas trwania impulsu wynosi około 20 femtosekund. Nasze próbki składają się z podłoża z arsenku galu o grubości 500 mikronów, warstwy arsenku glinowo-galowego o grubości 175 nanometrów oraz cienkiej warstwy arsenku galu i manganku o grubości 750 nanometrów. W przypadku eksperymentów w geometrii przekładni podłoże musi zostać usunięte.

Najpierw próbkę umieszcza się stroną do dołu na małym koraliku kleju optycznego na szafirowym okienku. Próbka jest równomiernie dociskana w celu usunięcia nadmiaru kleju spod powierzchni próbki w celu utwardzenia kleju optycznego, próbkę umieszcza się pod lampą ultrafioletową na około sześć godzin. Od 300 do 400 mikrometrów podłoża jest następnie usuwane przez szlifowanie.

Pozostały substrat usuwa się przez zanurzenie w roztworze kwasu cytrynowego i nadtlenku wodoru. Po osiągnięciu warstwy wytrawiania zatrzymującego, wygląd próbki przejdzie od matowej szarości do lustrzanego wykończenia, co wskazuje, że można ją usunąć z roztworu. Po wypłukaniu w wodzie dejonizowanej próbka jest gotowa do zamontowania w kriostacie w celu przeprowadzenia czterech eksperymentów mieszania falowego.

Po zoptymalizowaniu sygnału automatycznej korelacji i umieszczeniu próbki w kriostacie, duże płaskie lustro używane do pomiaru impulsów jest usuwane. W przypadku eksperymentów z mieszaniem czterech fal w rozdzielczości spektralnej, ale zintegrowanych w czasie, wiązka sygnału jest skupiana w monochromatycznej. Narzędzie do wyrównywania pomaga zlokalizować przestrzennie sygnał mieszania czterech fal poprzez wyrównanie punktów wiązki odpowiadających impulsom E jeden i E dwa.

Na krzyżach za monochromatycznym umieszczona jest rurka powielacza fotograficznego lub PMT i podłączona do oscyloskopu. Uwaga, polaryzacja wysokiego napięcia na PMT może być włączona tylko wtedy, gdy detektor znajduje się w ciemności, oprogramowanie do akwizycji danych służy do rejestrowania śladu oscyloskopu, który jest sygnałem mieszania czterech fal w funkcji opóźnienia między impulsami E jeden i E dwa dla każdej żądanej długości fali. W przypadku eksperymentów z mieszaniem czterech fal z rozdzielczością czasową, soczewka skupiająca się na monochromatyczności jest usuwana i wkładane jest lustro, aby odebrać wiązkę sygnału mieszania czterech fal

Wiązka mieszająca cztery fale jest skupiana razem z wiązką bramkującą w nieliniowy kryształ, a następnie filtr, aby przepuścić tylko wiązkę o łącznej częstotliwości. Korelacja krzyżowa czterofalowego sygnału mieszającego się i impulsu chodu jest następnie mierzona jako funkcja opóźnienia impulsu chodu. Za pomocą A PMT opóźnienie impulsu bramki jest zmieniane poprzez podłączenie generatora funkcyjnego i wzmacniacza do głośnika na ścieżce impulsu bramki.

Sygnał rozdzielczy w czasie jest następnie rejestrowany za pomocą oprogramowania do akwizycji danych poprzez rejestrację śladu oscyloskopu dla stałych wartości opóźnienia między impulsem E jeden a E drugim. To opóźnienie międzyimpulsowe jest ustawiane za pomocą ręcznego etapu translacji w ścieżce wiązki dla impulsu E jeden. Typowe wyniki spektralnie rozdzielczych eksperymentów z mieszaniem czterofalowym przedstawiono dla próbki referencyjnej arsenku galu uprawianej w niskiej temperaturze po lewej stronie i arsenku galu manganu dla frakcji manganu wynoszącej pięć tysięcznych procenta.

Po prawej stronie dane są pokazane jako funkcja energii fotonów i opóźnienia czasowego między impulsem E jeden a E drugim. Poszerzenie sygnału w kierunku wyższych energii w arsenku galu i manganu przypisuje się zwiększonej gęstości stanów i pasma walencyjnego spowodowanemu hybrydyzacją SPD podstawiającego manganu w krysztale gospodarza arsenku galu. Naszym celem jest zmierzenie czasu zaniku w arsenku galu i manganu dla nośników powyżej pasma wzbronionego arsenku galu.

W tym przypadku skupiamy się na sygnale zintegrowanym w czasie o energii fotonu 1,533 ev, zintegrowanym w czasie czterofalowym sygnale mieszającym w porównaniu z opóźnieniem międzyimpulsowym w manganie galowym. Arsenek jest pokazany po lewej stronie dla energii fotonu 1,533 ev. Czterofalowy sygnał mieszania w tej samej próbce z rozdzielczością czasową jest pokazany po prawej stronie w funkcji czasu chodu dla opóźnienia międzyimpulsowego wynoszącego 54 femtosekundy.

Czas niszczenia jest uzyskiwany z tych wyników poprzez dopasowanie do modelu analitycznego wskazywanego przez krzywe bryłowe. Ekstrahowany czas defazacji T 2 w arsenku galu i manganu wynosi 65 femtosekund. Porównując z danymi w wysokiej i niskiej temperaturze uprawianej arsenku galu, dominujący proces defazacji jest identyfikowany jako cały spin manganu, rozpraszanie odwrócone Można użyć tych czterofalowych eksperymentów mieszania z rozdzielczością czasową do rozróżnienia między izolowanym układem dwupoziomowym, który prowadzi do swobodnego rozpadu indukcji i zbioru ściśle rozmieszczonych przejść, co prowadzi do echa fotonowego, mierzone są wyniki w wykazie arsenku galu i manganu, charakterystycznej sygnatury echa fotonowego z pikiem sygnału, który przesuwa się do czasu dodatniego wraz ze wzrostem opóźnienia impulsu.

Szczyt występuje przy około dwukrotnie większym opóźnieniu impulsu. Dobra zgodność między modelem analitycznym dla jednorodnie poszerzonego przejścia a zmierzonymi wynikami wskazuje, że wiele efektów ciała nie przyczynia się w znaczący sposób, a czas defazacji jest niezależny od energii fotonów, pomimo lokalizacji indukowanej defektami w tym układzie. Mamy nadzieję, że po obejrzeniu tego filmu dobrze zrozumiesz technikę mieszania femtosekundowego.

Praca ta stanowi podstawę do zastosowania tej techniki do badania kluczowych podstawowych właściwości rozcieńczonych półprzewodników magnetycznych, takich jak struktura elektronowa i sprzężenie wymiany, oraz do pomiaru skali czasowej zaniku koherencji w innych nowych materiałach będących przedmiotem zainteresowania elektroniki nowej generacji.