Методическая статья

Измерение затухания когерентности в GaMnAs с помощью фемтосекундного четырехволнового смешивания

8.7K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/51094

⸱

3 декабря 2013 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Описан метод фемтосекундного четырехволнового смешивания, включая конфигурации со спектральным разрешением и временным разрешением. Мы проиллюстрируем полезность этого метода для исследования важнейших физических свойств в разбавленных магнитных полупроводниках III-V разбавленных магнитных полупроводников, обеспечиваемых его нелинейностью и высоким временным разрешением.

Аннотация

Описано применение фемтосекундного четырехволнового смешивания для исследования фундаментальных свойств разбавленных магнитных полупроводников ((s,p)-d гибридизация, спин-флип-рассеяние) с использованием экспериментов на GaMnAs в качестве прототипа системы III-Mn-V. Описаны экспериментальные конфигурации со спектральным и временным разрешением, включая использование методов автокорреляции с нулевым фоном для оптимизации импульсов. Процесс травления, используемый для получения образцов GaMnAs Высокое временное разрешение этого метода, обеспечиваемое использованием коротких (20 фс) оптических импульсов, позволяет изучать процесс быстрого спин-флип-рассеяния в этой системе непосредственно во временной области, что позволяет по-новому взглянуть на сильную обменную связь, ответственную за несущий ферромагнетизм. Мы также показываем, что спектральное разрешение четырехволнового сигнала смешивания позволяет извлекать четкие сигнатуры (s, p)-d гибридизация в этой системе, в отличие от методов линейной спектроскопии. Эта повышенная чувствительность обусловлена нелинейностью метода, которая подавляет вклад дефектов в оптический отклик. Этот метод может быть использован для измерения временной шкалы для затухания когерентности (связанного с самыми быстрыми процессами рассеяния) в широком спектре полупроводниковых систем, представляющих интерес для электроники и оптоэлектроники следующего поколения.

Введение

Разбавленные магнитные полупроводники

III-V демонстрируют ферромагнитную связь, опосредованную носителями (отверстиями), что позволяет манипулировать магнитными характеристиками с помощью электрического и оптического управления популяцией носителей. Эта особенность делает эти материалы привлекательными для целого ряда магниточувствительных электронных и оптоэлектронных устройств1-15, включая возможную интеграцию логики и памяти. 11-15 Реализация таких применений требует хорошего понимания фундаментальных свойств этих материалов; однако большая плотность дефектов, связанная с их ростом при низких температурах (необходимых для заместительного включения магнитных легирующих примесей, таких как Mn), серьезно затрудняет теоретическую трактовку обменного взаимодействия и ферромагнитного порядка16-18. Эти дефекты также затрудняют интерпретацию переносных и линейно-оптических экспериментов на этих материалах19-24.

Недавно в экспериментах на GaMnAs25,26, представляющем прототип разбавленного магнитного полупроводника III-V, была показана полезность нелинейного оптического метода четырехволновой спектроскопии смешивания этих материалов. Было показано, что нелинейность метода обеспечивает гораздо большую чувствительность к тонкой структуре в плотности оптических соединений состояний, Это наблюдение является признаком (s,p)-d гибридизации, которая была недавно предсказана в расчетах с плотным связыванием18.Это новое понимание было получено благодаря низкому оптическому дипольному моменту, связанному с переходами, включающими состояния дефектов в средней зоне, которые маскируют эти эффекты гибридизации в линейных оптических экспериментах27. Высокое временное разрешение метода четырехволнового смешивания также было использовано для получения первого прямого измерения временной шкалы рассеяния спинового флипа дырки Mn в этой системе26.Эти эксперименты также показали, что оптический отклик этого материала представляет собой фотонное эхо, что указывает на то, что время дефазирования не зависит от энергии носителя, несмотря на локализацию, вызванную дефектами.

Здесь мы представляем подробное описание метода четырехволнового смешивания, использованного в ссылках25,26, иллюстрируя, как он может быть использован для измерения времени дефазирования (T2), нелинейного (третьего порядка) спектрального отклика и природы уширения (однородного или неоднородного) в интересующем материале. Представлены экспериментальные конфигурации со спектральным и временным разрешением, а также объяснение автокорреляции с нулевым фоном Эта длительность импульса определяет общее временное разрешение метода и должна быть ниже 30 фс для разрешения рассеяния по спин-флипу в GaMnAs. Также освещается процесс травления, используемый для подготовки образцов GaMnAs к экспериментам с геометрией пропускания. Эта работа основана на признанной полезности методов четырехволнового смешивания для изучения рассеяния 28-32, расширив его до исследования фундаментальных взаимодействий и электронной структуры в разбавленных магнитных полупроводниках. Наши результаты будут иметь значение для долгосрочного проектирования этих новых магнитных материалов.

Протокол

1. Обзор оптических приборов

  1. Настройте два зеркала и две диафрагмы, определяющие входной тракт для оптической установки, как показано на рисунке 1. Каждый день эти ирисы и зеркала следует использовать для восстановления юстировки установки. Поскольку лазер дрейфует изо дня в день, для поддержания оптимальной юстировки требуется несколько итераций юстировки ежедневно.
  2. Постройте импульсный компрессор, содержащий две призмы, как показано на рисунке 1. Импульсный компрессор вводит отрицательную дисперсию групповой скорости, чтобы компенсировать положительную дисперсию групповой скорости, вызванную линзами и оптическими окнами на пути к образцу. Величина компенсации дисперсии групповой скорости определяется расстоянием между призмами (грубые) и количеством стекла, через которое распространяется луч во второй призме (тонкая). Они итеративно корректируются для оптимизации длительности импульса при обнаружении автокорреляции импульса (см. раздел 2).
  3. Вставьте светоделитель 50/50, чтобы разделить входящие импульсы от лазера на два импульса возбуждения, E1 и E2.
  4. Настройте оптическую линию задержки для импульса Е1 с помощью пары зеркал, установленных на ручном столике для трансляции. Этот столик используется для грубой регулировки задержки между импульсами Е1 и Е2. Примечание: необходимо следить за тем, чтобы оптический путь в зеркальную пару был параллелен оси движения ступеней перемещения, а зеркала были выровнены под углом 45° друг к другу и не вызывали вертикального отклонения.
  5. Установите оптическую линию задержки для импульса E2 с помощью набора зеркал и оптического перископа, которые направляют луч вниз на легкий ретрорефлектор, установленный на диффузоре динамика. Вертикальная установка динамика сводит к минимуму ангармоническое движение динамика, вызванное весом ретрорефлектора, а также вредное движение (покачивание) ретрорефлектора при движении динамика.
    Примечание: необходимо убедиться, что путь луча в ретрорефлектор параллелен оси движения динамика (т.е. вертикали). Вместе с генератором функций и усилителем тока динамик позволяет быстро сканировать межимпульсную задержку во время эксперимента. Усилитель тока нужен для обеспечения достаточно большой амплитуды движения динамика (>1 мм). Линейная часть броска динамика определяет общий доступный диапазон задержки импульсов в эксперименте.
  6. Убедитесь, что два оптических луча параллельны, и вставьте одну линзу (диаметр 5 см, фокусное расстояние 50 см) на пути двух лучей, как показано на Иллюстрации 1. Эта линза используется для фокусировки двух лучей на образце, содержащемся в оптическом криостате, что позволяет удерживать образец при любой желаемой температуре от 4 до 300 К.
  7. Пространственное и временное перекрытие в положении образца оптимизируется путем выполнения автокорреляции в эквивалентном фокусе при подготовке к детектированию четырехволнового сигнала смешивания. (Выравнивание автокорреляции описано в разделе 2.)
  8. Для экспериментов со спектральным разрешением, интегрированных по времени (SR-FWM) отправьте четырехволновое смешанное излучение в монохроматор, добавив линзу для фокусировки во входную щель.
  9. Поместите высокоскоростной детектор с фотоумножителем (ФЭУ) после монохроматора, чтобы обнаружить четырехволновое излучение смешивания со спектральным разрешением. Примечание: высокое напряжение, подаваемое на ФЭУ, следует включать только при работе с ФЭУ в темноте.
  10. Подключите выходной сигнал ФЭУ к осциллографу.
  11. С помощью генератора функций и усилителя тока настройте динамик на колебания с частотой около 30 Гц, чтобы ввести периодическое изменение временной задержки между импульсами E1 и E2. Выполните измерение сигнала SR-FWM (сигнала PMT) в зависимости от задержки импульсов с помощью осциллографа. Калибровка временной оси осциллографа определяется с помощью сигнала автокорреляции, как описано в разделе 2.
  12. Для четырехволнового смешивания с временным разрешением (TR-FWM) вставьте второй светоделитель 50/50 для создания третьего лазерного импульса (называемого импульсом затвора), как показано на рисунке 1.
  13. Настройте отдельную линию оптической задержки для импульса затвора. Эта линия задержки содержит набор зеркал, установленных на ручном столике для ручной регулировки задержки импульса затвора, и второй динамик для быстрого сканирования задержки импульса затвора.
  14. Снимите линзу перед монохроматором и вставьте зеркало, чтобы улавливать четырехволновой смесительный луч.
  15. Вставьте линзу для фокусировки четырехволнового излучения смешивания вместе с импульсом затвора в нелинейный кристаллический срез бета-бариевого бората (BBO) для согласования фаз типа I на длине волны 800 нм при нормальном падении. Выполните измерение интенсивности второй гармоники в зависимости от задержки импульса затвора с помощью другой высокоскоростной ФЭУ
    16. .
  16. Настройте траекторию для автокорреляционных измерений, вставив большое планарное зеркало перед криостатом. Это зеркало используется для перенаправления импульсов E1 и E2 во второй фокус. Здесь разместите второй кристалл BBO. Примечание: входные лучи должны быть заблокированы во время движения этого плоского зеркала, чтобы избежать опасных отражений.
  17. Выполнить измерение сигнала второй гармоники, возникающего в результате перекрытия импульсов E1 и E2 в зависимости от межимпульсной задержки, которая сканируется с помощью динамика на пути импульса E2. Сигнал второй гармоники обнаруживается с помощью быстрого фотодиода и осциллографа. Во время этого измерения выравнивание импульсного компрессора оптимизируется для обеспечения минимально возможной длительности импульса, как более подробно описано в разделе 2.

2. Измерение и оптимизация импульсов

  1. Вставьте большое плоское зеркало, чтобы перенаправить фокусную точку двух возбуждающих лучей с образца на вторичный фокус, как показано на рисунке 1.
  2. Поместите кристалл BBO в фокальную точку. Он используется для генерации второй гармоники из комбинации двух входных импульсов E1 и E2. Держатель кристалла должен обеспечивать регулировку по всем трем пространственным осям, а также вращение.
  3. Поместите короткочастотный оптический фильтр после кристалла, который отклоняет свет с длиной волны 800 нм и пропускает свет с длиной волны 400 нм.
  4. Два фиолетовых луча должны быть видны на белой карте, помещенной после фильтра. Эти лучи соответствуют второй гармонике от каждого импульса E1 и E2. Установите угол поворота кристалла так, чтобы он находился примерно посередине между углами, дающими максимальную яркость каждого из двух внешних пятен. Это будет приблизительный угол, который оптимизирует луч автокорреляции с нулевым фоном от второй гармоники от комбинации двух входных импульсов E1 и E2.
  5. Отрегулируйте длину пути импульса E1 до тех пор, пока не появится центральное пятно второй гармоники. Это пятно представляет собой автокорреляцию нулевого фона, возникающую в результате комбинации E1 и E2.
  6. Вставьте быстрый кремниевый фотодиод на пути центрального пятна второй гармоники.
  7. Периодически изменяйте длину пути импульса E2 с помощью генератора функций и усилителя для управления движением динамика в тракте E2, как описано в разделе 1.
  8. Подключите фотодиод к осциллографу и запишите наблюдаемую автокорреляцию. Чтобы правильно отобразить автокорреляцию, запустите осциллограф по импульсу TTL от генератора функций. Импульс запуска TTL может потребоваться задержать с помощью цифрового генератора задержки, чтобы можно было наблюдать автокорреляцию на удобной временной оси оси на осциллографе.
  9. Отрегулируйте длину пути импульса E1 с помощью ручного переносного столика и обратите внимание на то, как эта регулировка смещает временное положение пика сигнала второй гармоники на осциллографе. Записанные микрометрические положения для двух последовательных пиковых положений могут быть использованы для преобразования оси времени осциллографа в задержку импульса (в фемтосекундах).
  10. Отрегулируйте положение двух призм в импульсном компрессоре во время просмотра сигнала автокорреляции на осциллографе, чтобы убедиться, что пик автокорреляции является как можно меньше. Минимальная длительность импульса, достигнутая в этих экспериментах, составила около 20 фс.

3. Подготовка образцов

  1. Для наших экспериментов по четырехволновому смешиванию образец состоял из подложки GaAs толщиной 500 мкм, слоя стоп-травления AlGaAs длиной 175 нм и тонкой пленки GaMnAs длиной 750 нм. Этот образец был выращен методом молекулярно-лучевой эпитаксии в Университете Нотр-Дам.
  2. Эти эксперименты по четырехволновому смешиванию проводятся в геометрии пропускания, в результате чего подложка должна быть удалена. Поместите небольшой шарик оптического клея на сапфировое окно. Сапфир является отличной подложкой для экспериментов при низкой температуре благодаря хорошей прозрачности и большой теплопроводности. Поместите образец тонкой пленкой GaMnAs лицевой стороной вниз на оптический клей и равномерно прижмите его, чтобы удалить излишки клея из-под поверхности образца.
  3. Отверждите оптический клей, подвергая образец воздействию ультрафиолетовой лампы в течение примерно 6 часов. Излучение лампы должно подвергать образец воздействию сапфировой стороны для отверждения клея.
  4. Использование механической системы полировки/шлифовки (например, Buehler Beta Grinder-Polisher), удалить 300-400 мкм от подложки. Этот этап значительно сокращает время, необходимое для химического травления.
  5. Удалите остатки субстрата, погрузив образец в раствор лимонной кислоты (5 частей 6,28 М) и перекиси водорода (1 часть, 30% раствор). При достижении слоя стоп-травления образец переходит от тускло-серого к зеркальному покрытию, что указывает на то, что его можно удалить из раствора. Средняя скорость травления для GaAs составляет 20 мкм/ч, а для AlGaAs — 160 нм/ч для этого раствора.
  6. Извлеките образец из раствора кислоты и промойте в деионизированной воде, затем в ацетоне спектроскопического класса, а затем в метаноле.
  7. Установите образец в оптический криостат в фокусной точке пучков Е1 и Е2. Вакуумируйте и охладите криостат до нужной температуры.

4. Измерение четырехволнового сигнала смешивания

  1. После того, как сигнал автокорреляции оптимизирован, образец установлен в криостат, а криостат охлажден, удалите большое плоское зеркало, используемое для перенаправления лазерного фокуса.
  2. Для проведения экспериментов SR-FWM сфокусируйте четырехволновой сигнальный сигнальный пучок смешивания в монохроматор. Чтобы определить местоположение четырехволнового сигнального сигнала смешивания, сначала найдите передаваемые пятна E1 и E2 на юстировочном приборе (с волновыми векторами k1 и k2) и используйте их положения для определения ожидаемого положения четырехволнового сигнального сигнального луча смешивания (2k2 - k1).
  3. Поместите высокоскоростной ФЭУ на выход монохроматора и подключите его к осциллографу. Примечание: смещение высокого напряжения на фотоумножителе должно быть включено только при работе детектора в темное время суток.
  4. При включенных функциональном генераторе и усилителе, что приводит к периодическому движению динамика на пути импульса E2, используйте программное обеспечение для сбора данных для записи кривой осциллографа для каждой желаемой настройки длины волны монохроматора. Эта кривая состоит из четырехволнового сигнала смешивания в зависимости от задержки между импульсами E1 и E2. Кривая усредняется по нескольким сканированиям, количество которых выбирается с помощью цифрового осциллографа.
    Примечание: Динамический диапазон в этом случае ограничен аналого-цифровым преобразователем в осциллографе. Если требуется детальная структура в хвосте сигнала, можно либо увеличить чувствительность шкалы напряжения, либо получить четырехволновой сигнал смешивания с помощью платы быстрого сбора данных вместо осциллографа
  5. Чтобы выполнить измерения TR-FWM, снимите линзу, фокусирующую луч в монохроматоре, и вставьте зеркало, чтобы улавливать четырехволновой сигнальный сигнальный луч смешивания.
  6. Сфокусируйте четырехволновой смесительный пучок и импульс затвора в кристалле BBO, за которым следует оптический фильтр, пропускающий только луч общей частоты.
  7. Выполните измерение взаимной корреляции сигнала и импульса затвора с помощью ФЭУ. Изменяйте задержку импульса затвора, подключив генератор функций и усилитель к громкоговорителю в тракте импульса затвора.
  8. Регистрация сигнала TR-FWM с помощью программного обеспечения для сбора данных для записи кривой осциллографа для фиксированных значений задержки между импульсами E1 и E2, которые могут быть установлены с помощью ручного переноса в тракте луча для импульса E1.

Результаты

Типичные результаты эксперимента SR-FWM на GaxMn1-xAs (x = 0.005 %) показаны на рисунке 2(b), наряду с результатами для эталонного образца GaAs, выращенного при тех же низкотемпературных условиях (рисунок 2(a)). Об успехе экспериментов свидетельствует высокое отношение сигнал/шум, позволяющее четко оценить изменения амплитуды сигнала (обозначены цветовой шкалой) как в зависимости от временной задержки, так и от энергии фотонов. Высокое отношение сигнал/шум достигается путем тщательной оптимизации положения образца для поиска чистого участка с минимальным рассеянием света от возбуждающих импульсов. Успешное проведение эксперимента также требует, чтобы толщина образца была сопоставима с глубиной поглощения для энергии фотонов возбуждающих импульсов. Это максимизирует оптический сигнал от образца, не внося эффектов распространения, которые могли бы осложнить анализ. Для результатов на рисунке 2 оптическая плотность составляла 0.2. Уширение сигнала SR-FWM в сторону высоких энергий в GaMnAs по сравнению с GaAs приписывают влиянию (s,p)-d гибридизации замещающего Mn в кристаллической решетке GaAs на плотность состояний валентной зоны25.

Срез двумерных данных SR-FWM из Figure 2(b) представлен на Figure 3(a) для фиксированной энергии фотона 1.533 eV, что иллюстрирует зависимость сигнала от задержки между возбуждающими импульсами. Эту зависимость сигнала от задержки можно аппроксимировать с помощью аналитической модели33, свернутой с конечным профилем лазерного импульса (измеренным с помощью методов автокорреляции с нулевым фоном), что позволяет определить время дефазировки электрон-дырочных пар (T2 = 65 fsec для представленных данных). Эти аппроксимации обозначены сплошными кривыми на Figure 3. Если многочастичные эффекты играют значительную роль в исследуемом образце, может потребоваться более сложный анализ34,35. Это характерно для данных SR-FWM в GaAs, выращенном при низких температурах, на Figure 2(a) в области экситона (1.515 eV), где сигнал обусловлен рассеянием экситонов на переходах свободных носителей34. Для GaMnAs при энергиях выше ширины запрещенной зоны GaAs более простая двуххуровневая модель обеспечивает хорошее соответствие, что указывает на отсутствие признаков многочастичных эффектов. Такие эффекты проявляются гораздо сильнее в традиционном GaAs, выращенном при повышенных температурах25,26,35.

Результаты экспериментов по TR-FWM на том же образце GaMnAs показаны на рисунке 3(b). Для этих данных задержка между двумя возбуждающими импульсами составляет 54 fsec, а по горизонтальной оси отложена огибающая сигнала в зависимости от времени прихода затворного импульса относительно импульса сигнала четырехволнового смешения на кристалле BBO. Положение пика сигнала в экспериментах TR-FWM позволяет отличить однородно уширенные оптические переходы от неоднородно уширенных, что схематично показано на рисунке 4. В последнем случае одновременное возбуждение оптических переходов с диапазоном резонансных энергий приводит к рефазировке поляризаций на всех энергиях в момент времени t ≈ 2tD, где t — время прихода затворного импульса относительно импульса четырехволнового смешения, а tD — задержка между импульсами E1 и E2. Здесь t = 0 соответствует времени прихода импульса E1. На рисунке 3(b) tD = 54 fsec, и сигнал TR-FWM достигает пика при t ≈ 100 fsec, что указывает на отклик в виде фотонного эха для межзонных оптических переходов в данной системе. Сигнал TR-FWM для ряда значений меж импульсной задержки tD показан на рисунке 5, что свидетельствует о смещении сигнала в сторону больших t при увеличении tD. Превосходное одновременное соответствие аналитической модели результатам как SR-FWM (рисунок 3(a)), так и TR-FWM (рисунок 3(b)) указывает на то, что многочастичные эффекты не вносят значительного вклада, а скорость дефазировки не зависит от энергии перехода электрон-дырочных пар, несмотря на индуцированную дефектами локализацию в этой системе. Сравнение с данными для GaAs, выращенного при низких температурах, а также GaAs, выращенного при высокой температуре, позволяет идентифицировать доминирующий процесс дефазировки как спин-флип рассеяние дырка-Mn26, что дает новое понимание обменного взаимодействия, ответственного за ферромагнитный порядок в данной системе.

Схема установки для ультрабыстрой спектроскопии с указанием пути лазерного луча, криостата, компрессора импульсов и ФЭУ.
Рисунок 1. Принципиальная схема установки для четырехволнового смешения.

Спектры переходного поглощения, график зависимости энергии от времени; диаграмма, показывающая спектральные изменения в зависимости от задержки по времени.
Рисунок 2. Результаты SR-FWM при измерениях на GaAs, выращенном при низких температурах (слева), и Ga1-xMnxAs при x = 0.005 % (справа). Вертикальная ось представляет энергию фотонов, при которой регистрируется сигнал, выбранную с помощью монохроматора, а горизонтальная ось — задержку между импульсами E1 и E2.  Все представленные данные были получены при температуре образцов 10 K.  Адаптировано с разрешения из источника25.

Графики спектроскопии переходного поглощения; задержка в зависимости от времени; энергия фотона 1,533 eV; аппроксимация сигнала.
Рисунок 3. (a) Результаты SR-FWM в зависимости от задержки между импульсами в Ga1-xMnxAs при x = 0,005% и энергии фотона 1,533 eV; (b) результаты TR-FWM в том же образце в зависимости от времени прихода затворного импульса относительно импульса четырехволнового смешения на кристалле BBO, используемом для генерации суммарной частоты, что указывает на временную огибающую импульса четырехволнового смешения. Для этих данных задержка между импульсами E1 и E2 фиксирована на уровне 54 fsec. Сплошные линии представляют аппроксимацию с использованием аналитической модели из ссылки33. Все представленные данные были получены при температуре образца 10 K. Часть (b) адаптирована с разрешения из ссылки26.

Однородное и неоднородное уширение; диаграмма оптического возбуждения; концепция спектрального анализа.
Рисунок 4. Схематическое представление двух-уровневой системы с однородным (слева) и неоднородным (справа) уширением.

График спектроскопии переходного поглощения, показывающий данные о времени задержки для анализа оптического возбуждения.
Рисунок 5. Результаты TR-FWM для Ga1-xMnxAs при x = 0,005% в зависимости от времени прихода затворного импульса относительно импульса четырехволнового смешения в кристалле BB0, используемом для генерации суммы частот. Сигнал показан для различных значений задержки между импульсами E1 и E2, указанных на вертикальной оси.

Обсуждение

Метод четырехволнового смешивания может быть использован для измерения временной шкалы затухания когерентности на оптических переходах в широком диапазоне материальных систем. Для различных приложений в передовой электронике и оптоэлектронике это время дефазирования имеет решающее значение. Например, в приложениях квантовых вычислений (для которых экситонные переходы в полупроводниках представляют собой фундаментальный квантовый бит в нескольких предложениях36-38Временная шкала для затухания когерентности определяется самыми быстрыми процессами рассеяния электронов и дырок в материале, поэтому измерения времени дефазирования также дают представление о природе и силе связанных взаимодействий, ответственных за эти быстрые процессы рассеяния. Тип вовлеченных взаимодействий будет сильно зависеть от Таким образом, метод четырехволнового смешивания является важным инструментом для определения характеристик материалов, представляющих интерес для электронных и оптоэлектронных устройств следующего поколения. В таких исследованиях наиболее важным ограничением является временное разрешение. Это разрешение продиктовано длительностью оптического импульса, который должен быть короче, чем время дефазирования в изучаемом материале. Описанная здесь конкретная экспериментальная конфигурация идеально подходит для изучения процессов быстрого затухания (продолжительностью < несколько пикосекунд). Для измерения более медленной временной динамики обычно используются методы обнаружения захвата и медленная сканирующая ступень задержки с большим диапазоном движения.

В данной работе мы разъясняем полезность этого метода для исследования III-V разбавленных магнитных полупроводников, в которых сильная обменная связь дырки с Mn приводит к несущему ферромагнетизму. Спин-флип-рассеяние между дырками и ионами Mn также вызвано обменным взаимодействием дырки с Mn. Мы показали, что методы четырехволнового смешивания могут быть использованы для получения прямого измерения временного масштаба этого процесса, что дает представление о обменной связи в этом важном классе материалов. Мы также показали, что нелинейность метода четырехволнового смешивания обеспечивает высокочувствительное зонирование краевых состояний полосы в этих материалах, обеспечивая четкие сигнатуры процесса (s,p)-d гибридизации, который является источником сильной обменной связи в этой системе. Повышенная чувствительность четырехволнового смешивания по сравнению с линейными оптическими методами (например ,абсорбция, эллипсометрия, магнитный круговой дихроизм) к этим краевым состояниям зоны обусловлены нелинейностью этого метода, который подавляет вклад дефектов в оптический отклик.

Эта работа закладывает основу для применения этого метода для изучения ключевых физических свойств, представляющих интерес, таких как электронная структура и обменная связь, в широком диапазоне разбавленных магнитных полупроводников III-В. Это позволит разрабатывать эти материалы для применения в полупроводниковой спинтронике, включая целый ряд магниточувствительных электронных и оптоэлектронных устройств.      

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Это исследование поддержано Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады, корпорацией Lockheed Martin и Национальным научным фондом (грант DMR10-05851).

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Ti:Сапфировый генераторКогерентныйMira-SeedЧасть полностью лазерной системы
Ручная трансляция СтоликNewport462Количество: 2
оптических/оптомеханических компонентаThorlabs, другиеРазличные
регулируемые источники питания постоянного токаTenma72-6628
Функциональный генераторGW InstekGFG-8216A
Цифровой генератор задержкиStanford ResearchSystems DG645
Усилитель динамикаSonyXM-222W
Кремниевый фотодетекторThorlabsPDA36A
ФотоумножительГамамацу
Цифровой осциллографTektronixTDS2024B
оптический криостатJanisST-300
Cornerstone 260 МонохроматорNewportNewport 74110
Сапфировое окноОбщий рубин и сапфир
Лимонная кислотаSigma-AldrichC1909
Оптический клейNorlandThorlabs NOA61
Раствор перекиси водородаSigma-AldrichH3410
Деионизированная воднаявода из системы водоснабжения типа I

Ссылки

  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).

Перепечатки и разрешения

Теги

Измерение затухания когерентностиполупроводник GaMnAsспин-флип рассеяние(sp)-d гибридизацияспектроскопия с временным разрешениемметод сжатия импульсовоптическая автокорреляцияполупроводниковая спинтроникаразбавленные магнитные полупроводники
Измерение затухания когерентности в GaMnAs с помощью фемтосекундного четырехволнового смешивания
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.