НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЦЕНТР (на базе ЛНЭП)
Полное название: Экситонная и плазмонная поляритоника в полупроводниковых наноструктурах: фундаментально научные основы, технология и приложения в технике
Краткое название: НАНОИФТТ
Настоящий научно-образовательный центр (НОЦ) организован на основе научной школы Института физики твердого тела РАН (в дальнейшем именуется “школа”), занимающейся фундаментально научными и прикладными проблемами, связанными с неравновесными электронно-дырочными возбуждениями и коллективными явлениями в полупроводниковых наноструктурах. Научные задачи школы концентрируются на комплексных оптических и магнитотранспортных исследованиях коллективных электронных и электронно-дырочных взаимодействий в низкоразмерных полупроводниковых наноструктурах (нульмерных, одномерных и квази-двумерных) с целью обнаружения принципиально новых электронных явлений и установления их возможных приложений в информационных нанотехнологиях. В течение последних 15 лет, а именно с самого начала государственной поддержки российских ведущих научных школ (начиная с 1994 г.), по результатам соответствующих конкурсов и итогам выполненных работ настоящая школа всегда занимала лидирующие позиции. Работы ведущих научных сотрудников школы имеют высокий индекс цитируемости согласно всем известным российским и международным рейтингам, что свидетельствует об их высокой международной известности и признании.
Помимо фундаментально научной, технологической и прикладной технической деятельности в центре интересов научной школы всегда находилось обучение, научно-техническая подготовка и воспитание молодых, высоко квалифицированных научных кадров. Основными источниками молодых кадров для дальнейшего специального физико-технического обучения являлись и являются в настоящее время Московский физико-технический университет (г. Долгопрудный, факультет общей и прикладной физики, кафедра физики твердого тела) и Московский Государственный университет, физический факультет (кафедры твердого тела и физики полупроводников) и новый физико-химический факультет. Начиная с третьего курса, студенты перечисленных научных учреждений проходят, вплоть до защиты дипломных работ бакалавра и магистра, полный курс специализированного физико-технического и технологического обучения. Специальные научно-технические курсы лекций студентам читают на самом современном уровне ведущие научные сотрудники школы (научно-образовательного центра). Студенты на время проживания, обучения и научно-исследовательской работы в стенах Института физики твердого тела РАН централизованным образом обеспечиваются общежитием в г. Черноголовка. Студентам во время выполнения научно-исследовательской работы, помимо стипендии, оказывается материальная поддержка из финансовых фондов грантов (например, РФФИ), которыми обладает научная школа. Начиная с третьего курса, студенты активно включаются в плановые научно-технические и технологические работы школы. За истекшие 15 лет научной школой подготовлено 36 высококлассных специалистов – инженеров физиков. Наиболее талантливые выпускники продолжали повышение своей квалификации в аспирантуре и докторантуре (аспирантура ИФТТ РАН и МФТИ). За это время аспирантуру закончило 14 человек. Из них 14 успешно защитили кандидатские диссертации, а 2-е докторские диссертации.
На основе научной школы в ИФТТ РАН существенно укрепилась, расширилась, повысила свое качество и возможности экспериментально-техническая и технологическая база. В настоящее время НОЦ, основанный на базе научной школы, обладает следующими уникальными экспериментально-методическими, техническими и технологическими возможностями.
1. Методы магнитооптических и магнитотранспортных измерений полупроводниковых наноструктур (одиночные квантовые ямы, связанные квантовые ямы и сверхрешетки, квантовые нити и квантовые точки) в магнитных полях вплоть до 18 Т и низких температурах вплоть до 30 мК с высоким спектральным разрешением и пространственным разрешением.
2. Метод исследования спектров неупругого рассеяния света в сильных магнитных полях и при низких температурах с целью определения спектра коллективных возбуждений (спиновые волны, плазмоны, волны зарядовой плотности, экситонные поляритоны), а также энергетического спектра одночастичных возбуждений.
3. Интерференционные методы измерения корреляторов амплитуд при низких температурах, с целью определения и анализа крупно масштабной когерентности различных коллективных явлений в полупроводниковых наноструктурах.
4. Метод корреляционных измерений счета фотонов (коррелятор 2-го порядка) с целью определения временной когерентности разнообразных квантовых излучателей, включая квантовые точки, бозе-конденсаты диполярных экситонов в латеральных ловушках и экситонных поляритонов в микро резонаторах.
5. НОЦ обладает уникальными возможностями сложного по архитектуре процессинга и литографии, включая электронно-лучевую литографию, полупроводниковых наноструктур.
В связи с изложенным, организация научно-образовательного центра (далее название центра) на базе данной научной школы является событием, несомненно, естественным, обоснованным и логичным.
Основное научное направление исследований НОЦ связано с исследованиями фундаментальных свойств полупроводниковых наноструктур с целью использования этих свойств в информационных технологиях.
Работы НОЦ направлены на решение следующих проблем:
- исследование фундаментальных свойств полупроводниковых наноструктур и создание на их основе новых поколений электронных и оптоэлектронных устройств.
- разработка подходов и принципов для создания полупроводниковых спинтронных устройств (спиновых транзисторов, квантовых спиновых ключей).
- реализация квантовой когерентности в макроскопических системах при низких и сверхнизких температурах.
Научно-технологические и технические цели и задачи НОЦ следующие:
1) Исследование когерентных свойств бозе-конденсата пространственно-непрямых, диполярных экситонов, которые накапливаются в латеральных ловушках разнообразной геометрии в двойных и одиночных квантовых ямах на основе полупроводниковых AlGaAs/GaAs гетеростуктур. Крупно масштабная когерентность конденсированного экситонного состояния, ее разрушение из-за тепловых флуктуаций, а также поведение фазы волновой функции по периметру кольцевых пятен свечения экситонного конденсата будут исследованы средствами двулучевой микро интерферометрии в условиях стационарного и импульсного фотовозбуждения. Будет исследована и построена фазовая диаграмма Бозе-конденсации диполярных экситонов, накапливаемых в латеральных ловушках с контролируемыми параметрами, в GaAs/AlGaAs одиночной широкой квантовой яме, а также в двойных туннельно-связанных квантовых ямах, при низких температурах плоть до 0.4К.
С помощью микро интерференционных измерений, которые позволят контролировать поведение волновой функции при круговом обходе пространственных регулярных неоднородностей люминесценции экситонного Бозе-конденсата, ожидается получить прямую информацию о возможном вихревом происхождении этих неоднородностей. Планируется выполнить исследования конденсации диполярных экситонов со взаимодействием притяжения в двойных квантовых ямах в капли долгоживущей металлической электронно-дырочной жидкости (фазовый переход 1-го рода). Наибольший масштаб пространственной когерентности, равный периметру кольцевых ловушек, может наблюдаться в низкотемпературной области фазовой диаграммы. По температурной зависимости коррелятора 1-го порядка (коррелятора амплитуд интенсивности люминесценции конденсата), отражающего пространственную когерентность, будет выяснена роль тепловых флуктуаций, разрушающих когерентность.
Туннельно-связанные экситонные бозе-конденсаты в двух туннельно-связанных латеральных ловушках должны демонстрировать в люминесценции квантовые биения в прямой аналогии с эффектом Джозефсона в сверхпроводниках. Мы предполагаем, что крупно масштабная когерентность экситонных Бозе-конденсатов и квантовые биения Джозефсоновского типа между связанными Бозе-конденсатами смогут найти приложения в информационных нанотехнологиях.
2) Экситонные поляритоны в полупроводниковых микрорезонаторах (МР) с квантовыми ямами в активном слое, формирующиеся благодаря сильному экситон-фотонному взаимодействию, демонстрируют целый ряд интересных свойств, обусловленных сочетанием у этих частиц квазидвумерности, бозевой статистики и уникального закона дисперсии с очень малой эффективной массой (~10^-4 массы свободного электрона) и точкой перегиба в кривой дисперсии в области световых квазиимульсов. К числу наиболее интересных явлений относятся стимулированное параметрическое поляритон-поляритонное рассеяние, имеющее чрезвычайно низкий порог при возбуждении вблизи точки перегиба дисперсии нижней поляритонной (НП) ветви, и бозе-конденсация экситонных поляритонов. Ввиду крайне короткого времени жизни экситонных поляритонов (< 3 пс) описание наблюдаемого явления в рамках термодинамически равновесной конденсации в импульсном пространстве, рассматриваемой в классических работах Бозе и Эйнштейна, является сильно утрированным. Фотовозбужденная система экситонных поляритонов явно не достигает термодинамического равновесия и, следовательно, конденсация поляритонов происходит в неравновесных условиях. При этом актуальными становятся вопросы, связанные с динамикой конденсации поляритонов в импульсном пространстве и установлением в конденсате спиновой поляризации, пространственной и временной когерентности. Именно эти проблемы предполагается исследовать в ЛНЭП ИФТТ РАН. Конденсация экситонных поляритонов в импульсном пространстве в полупроводниковых структурах с большой энергией связи экситонов оказывается возможной вплоть до комнатных температур благодаря очень малой эффективной массе. Это открывает возможность реализации безинверсионных низкопороговых лазеров на основе излучения конденсата экситонных поляритонов, работающих при комнатных температурах.
3) Для успешного функционирования медицинских томографов, сканеров безопасности и телекоммуникационных систем, работающих в терагерцовой и субтерагерцовой областях спектра, необходимо создание миниатюрных полупроводниковых генераторов и детекторов, эффективных в этом диапазоне. Предыдущие идеи и разработки не позволяли достичь этой цели и, в результате, к настоящему времени нигде в мире не существует готовых приборов, обладающих необходимыми характеристиками. Недавно нами был обнаружен новый механизм преобразования электромагнитного излучения в плазменные волны, распространяющиеся в низкоразмерных электронных системах, и выпрямления этих волн в постоянное напряжение. Показано, что новый механизм детектирования субтерагерцового электромагнитного излучения может быть реализован в полупроводниковых структурах специального типа, причем для усиления коэффициента преобразования и увеличения квантовой эффективности детекторов можно использовать явления интерференции когерентных плазменных волн. Интересной особенностью такой трансформации световых волн в плазменные является значительное уменьшение длины волны при сохранении частоты возбуждений. Это позволяет создавать миниатюрные (микронные и субмикронные) структуры-интерферометры, работающие как спектрометры и обеспечивающие детектирование и измерение частоты электромагнитного излучения. Вариация геометрии таких наноструктур, в которых происходит распространение плазменных волн, позволяет создавать все необходимые оптические элементы, такие как брэгговские зеркала и резонаторы. Эти элементы значительно улучшают эффективность и спектральное разрешение новых детекторов-спектрометров. Малый размер детекторов и технологические возможности их производства на базе полупроводниковых структур позволяют создавать матрицы детекторов, которые дают возможность получать изображение объектов в гига- и субтерагерцовой области частот электромагнитного излучения.
Задача наших исследований будет заключаться в детальном изучении нового механизма детектирования электромагнитных волн гигагерцового и субтерагерцового диапазона, а также в создании новых приборов плазматроники, работающих на генерации, интерференции, дифракции и детектировании плазменных волн в низкоразмерных системах.
4) В двумерных электронных системах физические законы разрешают существование необычных частиц, называемых анионами, которые подчиняются дробной квантовой статистике, занимающей промежуточное место между бозевской и фермиевской. В отличие от бозонов и фермионов, перестановка которых либо не приводит к изменению фазы системы, либо меняет ее на противоположную, обмен анионов приводит к возникновению фазы, которая может принимать разные значения от нуля до 180 градусов. При этом для всех бозонов и всех фермионов обмен частиц является коммутативным событием, т.е. результат множественных перестановок не зависит от порядка перестановок и статистика таких частиц называется абелевой. В большинстве случаев анионы также обладают свойством нечувствительности фазы к порядку перестановок, однако существуют такие анионы, для которых фаза системы зависит от порядка перестановки частиц. Такие анионы с некоммутативной перестановкой подчиняются неабелевой статистике. Теоретически было показано, что дробное состояние 5/2 отвечает связыванию двух композитных фермионов и, при этом система спаренных композитных фермионов является неабелевой. На основе такого уникального состояния, не имеющего аналога в других физических системах, была предложена реализация топологического квантового компьютера, основным отличительным свойством которого является невозможность совершения ошибки при квантовых вычислениях.
Наша задача будет состоять в исследовании специфических свойств нового когерентного электронного состояния – изучение электронной спиновой поляризации, а также исследование дисперсии нейтральных электронных возбуждений в дробном состоянии 5/2 с целью подтвердить или опровергнуть теоретическую гипотезу о существовании неабелевых анионов. Кроме того, мы планируем исследовать циклотронный резонанс композитных фермионов с двумя и четырьмя захваченными квантами потока и измерить дисперсии нейтральных возбуждений для различных лафлиновских состояний дробного квантового эффекта Холла.
5) Управление спинами носителей в полупроводниковых наноструктурах стало одним из перспективных направлений исследования в последние годы. В ЛНЭП предполагается исследовать диодные квантово-размерные полупроводниковые гетероструктуры с дельта-слоями Mn в барьере, перспективные для использования в качестве элементов спинтроники. Взаимодействие дырок в квантовой яме с ионами Mn в барьере при определенных условиях может привести к появлению ферромагнитных свойств. В предыдущих исследованиях была достигнута относительно высокие интенсивность электролюминесценции и степень циркулярной поляризации структур на основе GaAs. Дальнейшие исследования направлены на изучение фундаментальных механизмов возникновения циркулярной поляризации ЭЛ и спиновой поляризации носителей в квантовой яме с целью увеличения степени циркулярной поляризации. Кроме того, в ЛНЭП предполагается исследование возможности полностью оптической манипуляции спиновыми состояниями носителей в III-V полупроводниковых структурах с квантовыми точками. Эффективное магнитное поле до ~0.3 Тл в отсутствие внешнего магнитного поля предполагается создавать путем ориентации спинов ядер с помощью нерезонансного фотовозбуждения циркулярно поляризованным светом. Возможность манипуляции одиночными спинами в перспективе откроет возможность создания вычислительных систем, основанных на квантовых логических элементах с предельно высокой степенью интеграции.
6). Одним из возможных механизмов генерации излучения в гига-терагерцовом диапазоне частот является черенковское излучение плазменных волн зарядом, который движется со скоростью, превышающей скорость плазменной волны. Для реализации указанного механизма необходимо, чтобы скорость потока электронов в двумерной электронной системе сравнялась с фазовой скоростью плазменных волн. Создаваемая на опыте направленная скорость движения электронов обычно не превышает 106 – 107 см/c, и поэтому до сих пор механизм черенковской генерации в твердых телах наблюдался лишь для сравнительно медленных акустических волнах. В то же время скорость плазменных волн, распространяющихся в твердых телах, обычно не ниже 107 см/c . Однако, наши недавние эксперименты показали, что скорость плазменных волн в двумерной электронной системе с близко расположенным проводящим затвором может быть рекордно малой и сопоставимой с дрейфовой скоростью электронов. При расстоянии от затвора до квантовой ямы 50 нм, скорость плазмонов становится около 107 см/c, что не превышает предельную электронную скорость. Присутствие затвора сильно изменяет дисперсию плазменных волн, приводя к сильному уменьшению скорости плазменной волны. Влияние близко расположенного проводящего затвора можно качественно понять следующим образом. Проводящий затвор частично экранирует электрическое поле флуктуаций электронной плотности плазменной волны, приводя к эффективному ослаблению кулоновского взаимодействия. Как следствие, частота и скорость волны при фиксированном волновом векторе понижаются. При этом излучение плазменных волн происходит только на дискретных частотах, определяемых латеральным размером двумерной электронной системы. В этом случае электронный газ выступает в качестве плазмонного резонатора. Частота плазменных волн в резонаторе, а, следовательно, и частота излучаемых электромагнитных волн, легко перестраивается путем изменения электронной концентрации двумерных электронов. В НОЦ планируется исследовать дополнительные системы задержки плазменных волн, необходимые для дальнейшего подавления скорости плазмонов и для выравнивания скоростей электронов и плазменных волн, что требуется в черенковском механизме генерации. С этой целью в НОЦ будут создаваться и исследоваться плазмонные кристаллы в двумерных электронных системах, в которых будет обеспечена периодическая модуляция скорости плазменных волн. В таких системах из-за многолучевой интерференции будут возникать энергетические зоны, в которых плазменные волны не могут распространяться. Как следствие, вблизи этих зон будут существовать интервалы частот, в которых и групповая и фазовая скорости плазменных волн могут быть уменьшены сколь угодно сильно, что соответствует необходимому условию генерации электромагнитных волн в механизме Черенкова. В НОЦ также планируется исследовать эффективность умножения частоты электромагнитного излучения в плазменном механизме нелинейного преобразования СВЧ и его зависимость от электронной плотности и температуры. Кроме того, будут исследованы механизмы неустойчивости плазменных колебаний, которые обеспечивают преобразование постоянного тока в СВЧ.