Измерение затухания когерентности в GaMnAs с помощью фемтосекундного четырехволнового смешивания

Целью данного эксперимента является измерение времени деформации в арсениде марганца галлия с высоким временным разрешением с использованием метода полноволнового смешивания. Это достигается с помощью двух оптических импульсов, падающих на образец с волновыми векторами K one и K two. Вместе эти импульсы возбуждают оптические переходы, которые резонируют с лазерным импульсом, что приводит к возбуждению когерентной электронной поляризационной плотности.

Эта поляризация излучает свет в направлении 2К два минус К один. Это четырехволновой сигнал смешивания. Временное разрешение этого метода определяется длительностью оптического импульса.

Эта продолжительность минимизируется за счет измерения ширины автоматической корреляции импульсов при настройке импульсного компрессора. Автокорреляция обнаруживается путем измерения интенсивности второй гармоники, генерируемой параимпульсами в зависимости от межимпульсной задержки. Образцы для этих экспериментов были выращены с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии Э. К. Эной и его коллегами из Университета Нотр-Дам.

Их готовят для экспериментов путем приклеивания поверхности к сапфировому окну и снятия подложки с образцом при лазерном фокусе измерения интенсивности четырехволнового смешивания излучаемого света в зависимости от длины волны через спектральное разрешение с использованием монохромного, а также межимпульсного запаздывания. Временная огибающая четырехволнового сигнала смешивания также измеряется с помощью третьего лазерного импульса и выполнения взаимной корреляции этого импульса, называемой затвором, с четырехволновым сигналом смешивания посредством некоторой генерации частоты. В конечном итоге мы получаем измерение времени деформации, также называемое Т-2 или временем затухания когерентности для пар электронных дырок.

Возбуждаются резонансные межполосные переходы в полупроводниковом образце. Эти результаты можно использовать для того, чтобы провести различие между изолированной двухуровневой системой и набором близко расположенных переходов. Последнее приводит к так называемому фотонному эху и четырехволновому смешению отклика с временным разрешением.

С помощью этого метода мы можем определить самые быстрые процессы рассеяния электронов и дырок в полупроводниковой системе. В рамках исследования такие процессы рассеяния управляют как переносом, так и затуханием когерентности, и поэтому этот метод является полезным инструментом для изучения полупроводниковых материалов, представляющих интерес для новых оптических, электронных и электронных устройств. Мы показали, что распад когерентности в арсениде марганца галлия происходит за счет спинового рассеяния между отверстиями и ионами марганца, что позволяет нам получить прямое измерение временных рамок этого важного процесса.

Это дает новое представление о обменной связи, отвечающей за магнитный порядок FARO. В этой системе галлий, марганец, арсенид и другие материалы из семейства из трех пяти разбавленных магнитных полупроводников могут в конечном итоге обеспечить интеграцию логических функций и функций памяти в компьютерное оборудование. Это часть более широкой области исследований полупроводниковой спинтроники, поэтому наши результаты имеют значение для долгосрочного проектирования этих материалов, иллюстрируя мощность и гибкость методов четырехволнового смешивания для понимания их фундаментальных свойств. настройка.

Затем следует импульсный компрессор, который вводит отрицательную дисперсию групповой скорости для компенсации положительной дисперсии групповой скорости, вызванной линзами и оптическими окнами на пути к образцу. Траектория для Е 1 содержит пару зеркал, установленных на ручном столике для трансляции, который используется для корректировки курса задержки между импульсами Е один и Е 2. Траектория импульса E two проходит вниз по легкому ретрорефлектору на диффузоре динамика.

Вместе с генератором функций и усилителем тока динамик позволяет быстро сканировать межимпульсную задержку. Во время эксперимента два луча затем фокусируются с помощью одной линзы на образце, который содержится в оптическом криостате. Это позволяет удерживать образец при любой желаемой температуре от четырех до 300 кельвинов.

Для экспериментов со спектральным разрешением, интегрированных по времени, излучение четырехволнового смешивания пропускается через линзу на монохромный экран и детектируется с помощью высокоскоростной фотоумножительной трубки. Сигнал фотоумножителя измеряется в зависимости от межимпульсной задержки во время сканирования положения динамика. Использование осциллографа для четырехволнового смешивания с временным разрешением.

Третий лазерный импульс отщепляется с помощью другого светоделителя и направляется через отдельную оптическую линию задержки, содержащую еще один динамик. Этот импульс смешивается с четырехволновым сигналом смешивания в бате бета-бария или нелинейном кристалле BBO, и результирующий свет с суммарной частотой обнаруживается другой фотоумножительной трубкой. Длительность импульсов возбуждения измеряется и оптимизируется путем перенаправления импульсов возбуждения E one и E two во второй фокус.

В другой кристалл BBO помещается сигнал второй гармоники, возникающий в результате перекрытия импульсов. E one и E two измеряется как функция межимпульсной задержки. Длительность импульса измеряется путем вставки большого плоского зеркала для перенаправления фокусной точки двух возбуждающих пучков с образца на вторичный фокус.

Нелинейный кристалл, который был разрезан для согласования фаз первого типа на 800 нанометров при нормальных падениях, помещается в фокальную точку. Держатель кристалла позволяет регулировать по всем трем пространственным осям, а также вращать оптический фильтр, который блокирует 800 нанометров и проходит 400 нанометров. Свет второй гармоники от импульсов возбуждения располагается после нелинейного кристалла.

Угол кристалла, который оптимизирует вторую гармонику от комбинации обоих импульсов возбуждения вместе, является нормальным или промежуточным углом, дающим максимальную яркость каждого из двух внешних пятен. Длина пути импульса E one регулируется до тех пор, пока центральное пятно второй гармоники не будет видно на белой карте. Эта центральная точка и есть автоматическая корреляция.

Быстрый фотодиод, используемый для определения автоматической корреляции, выровнен по центральному лучу. Включаются генератор функций и усилитель, управляющие движением динамика, что приводит к периодическому изменению длины пути импульса. Е второе.

Результирующий сигнал автоматической корреляции можно наблюдать, подключив фотодиод к осциллографу. Временная ось оси осциллографа может быть преобразована в задержку импульса в фемтосекундах путем корреляции длины пути импульса E, скорректированной ручным преобразовательным столиком, с временным положением пикового сигнала второй гармоники на осциллографе. Длительность импульса сводится к минимуму за счет регулировки призм в компрессоре импульсов при просмотре сигнала автоматической корреляции на осциллографе, что делает его максимально узким.

Минимальная достигаемая длительность импульса составляет примерно 20 фемтосекунд. Наши образцы состоят из подложки из арсенида галлия толщиной 500 микрон, слоя арсенида алюминия галлия толщиной 175 нанометров и тонкой пленки арсенида марганца галлия толщиной 750 нанометров. Для экспериментов с геометрией пропускания подложка должна быть удалена.

Сначала образец помещается стороной вниз на небольшой шарик оптического клея на сапфировом окне. Образец равномерно прессуют для удаления излишков клея из-под поверхности образца для отверждения оптического клея, образец помещают под ультрафиолетовую лампу примерно на шесть часов. Затем от 300 до 400 микрометров основания удаляется путем шлифования.

Оставшийся субстрат удаляют погружением в раствор лимонной кислоты и перекиси водорода. Когда будет достигнут слой стопового травления, внешний вид образца перейдет от тускло-серого к зеркальному покрытию, что указывает на то, что его можно удалить из раствора. После промывки в деионизированной воде образец готов к установке в криостат для проведения экспериментов по смешиванию четырех волн.

После того, как сигнал автоматической корреляции оптимизирован и образец помещен в криостат, большое плоское зеркало, используемое для измерения импульсов, удаляется. Для экспериментов со спектрально разрешенным, но интегрированным по времени четырехволновым смешиваниям, сигнальный луч фокусируется в монохром. Инструмент для юстировки помогает пространственно определить местоположение сигнала смешивания четырех волн путем выравнивания пятен луча, соответствующих импульсам E One и E 2.

На крестиках после монохрома ставится фотоумножитель или ФЭУ и подключается к осциллографу. Обратите внимание, что смещение высокого напряжения на ФЭУ должно быть включено только с детектором в темновой среде Программное обеспечение для сбора данных используется для записи осциллографической кривой, которая представляет собой четырехволновой сигнал смешивания в зависимости от задержки между импульсами E one и E 2 для каждой желаемой длины волны. Для экспериментов по четырехволновому смешиванию с временным разрешением объектив, фокусирующийся в монохроме, снимается, и вставляется зеркало для улавливания сигнального луча четырехволнового смешивания.

Четырехволновой смесительный пучок фокусируется вместе с стробируемым лучом в нелинейный кристалл, за которым следует фильтр, пропускающий только пучок суммарной частоты. Затем измеряется взаимная корреляция между четырехволновым сигналом смешивания и импульсом ходьбы как функция задержки импульса ходьбы. При использовании ФЭУ задержка импульса затвора изменяется путем подключения генератора функций и усилителя к динамику в тракте импульса затвора.

Затем сигнал с временным разрешением записывается с помощью программного обеспечения для сбора данных путем записи осциллографа на фиксированные значения задержки между E 1 и E 2 импульса. Эта межимпульсная задержка задается с помощью ручного этапа трансляции в тракте луча для импульса E one. Показаны типичные результаты экспериментов по смешиванию четырех волн со спектральным разрешением для низкотемпературного арсенида арсенида галлия (слева) и арсенида марганца галлия для марганцевой фракции в пять тысячных процента.

Справа данные показаны в зависимости от энергии фотонов и временной задержки между импульсом E 1 и E 2. Расширение сигнала в сторону более высоких энергий в арсениде марганца галлия объясняется увеличением плотности состояний и валентной зоны, вызванной гибридизацией заместительного марганца в кристалле-хозяине аргенида галлия. Наша цель состоит в том, чтобы измерить время дефазирования арсенида марганца галлия для носителей выше запрещенной зоны арсенида галлия.

В этом случае мы сосредоточимся на интегрированном по времени сигнале при энергии фотона 1,533 эВ, интегрированном по времени четырехволновом сигнале смешивания в зависимости от межимпульсной задержки в галлиевом марганце. Слева показан арсенид для энергии фотонов 1,533 эВ. Четырехволновой сигнал смешивания в одном и том же образце с временным разрешением отображается справа в зависимости от времени ходьбы для межимпульсной задержки в 54 фемтосекунды.

Время удаления порчи извлекается из этих результатов путем подгонки к аналитической модели, обозначенной твердотельными кривыми. Время извлечения T two в арсениде марганца галлия составляет 65 фемтосекунд. Из сравнения с данными при высоких и низких температурах выращенного арсенида галлия, доминирующим процессом дефазирования является цельный спин марганца, перевернутое рассеяние, можно использовать эти разрешенные временем четыре эксперимента по смешиванию волн, чтобы различить изолированную двухуровневую систему, которая приводит к распаду свободной индукции и набор близко расположенных переходов. Что приводит к фотонному эху Измеряются результаты в проявлении арсенида марганца галлия, характерной сигнатуре фотонного эха с пиком сигнала, который смещается в положительное время с увеличением задержки импульса.

Пик приходится примерно на двукратную межимпульсную задержку. Хорошее соответствие между аналитической моделью для однородно расширенного перехода и измеренными результатами указывает на то, что многие телесные эффекты не вносят существенного вклада, и что время дефазирования не зависит от энергии фотонов, несмотря на локализацию, вызванную дефектами в этой системе. Мы надеемся, что после просмотра этого видео вы хорошо разберетесь в технике фемтосекундного микширования.

Эта работа закладывает основу для применения этого метода для изучения ключевых фундаментальных свойств разбавленных магнитных полупроводников, таких как электронная структура и обменная связь, а также для измерения временной шкалы распада когерентности в других новых материалах, представляющих интерес для электроники следующего поколения.