Межподзонное рассеяние и спиновая релаксация двумерного электронного газа в GaAs-AlxGa1-xAs одиночном гетерепереходе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

,тб о;;

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

I 5 Ш ШЬ

I и лип ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

На правах рукописи

ЖИТОМИРСКИЙ Виктор Евгеньевич

УДК 537.311.322

МЕЖП0Д30НН0Е РАССЕЯНИЕ И СПИНОВАЯ РЕЛАКСАЦИЯ ДВУМЕРНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ГАЗА В СаАБ-М^а.^Аз ОДИНОЧНОМ ГЕТЕРОПЕРЕХОДЕ

Специальность 01.04.07- физика твердого тела.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 1993

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Большой интерес, проявляемый в последние годы к системам с пониженной размерностью, связан как с чисто практическим применением таких систем в микроэлектронике, так и с обнаружением в этих системах новых фундаментальных явлений -целочисленного и дробного квантового эффекта Холла (КЭХ). В частности, обнаруженный в двумерных (2Д-) электронных системах дробный КЭХ связан с конденсацией взаимодействующих электронов в несжимаемую ферми-жидкость - состояние, не имеющее аналогов в физике. Теоретически предсказана также возможность вигнеровской кристаллизации электронов в таких системах.

Появление 2Д~канала связано с пространственным ограничением газа свободных электронов по одному из направлений потенциальным барьером. Это приводит к трансформации непрерывного энергетического спектра электронов в этом направлении в дискретный спектр размерного квантования, конкретный вид которого определяется формой потенциальной ямы. Упомянутые выше фундаментальные явления наблюдаются в магнитном поле, направленном по нормали к 2Д-слою, которое приводит к квантованию движения электронов в плоскости и образованию дискретного энергетического спектра - уровней Ландау.

В последнее время появилось немало работ, в которых изучаются свойства электронной системы с двумя заполненными подзонами размерного квантования. Интерес исследователей обусловлен тем, что несмотря на низкую концентрацию носителей в возбужденной подзоне, удаётся получать достаточно большие значения подвижности. Это оказывается возможным, т.к., из-за несимметричности формы ямы, электроны верхней подзоны находятся на ббльших расстояниях от поверхности интерфейса, чем электроны нижней подзоны. В результате рассеяние на удаленных примесях и шероховатостях поверхности оказывается сильно ослабленным, в том числе и благодаря экранировке случайного потенциала электронами нижней прод-зоны. Осцилляции магнитосопротивления при заполнении возбужденной подзоны размерного квантования носят сложный характер. Подзоны, особенно в больших магнитных полях, не могут рассматриваться, как два отдельных слоя 2Д электронов. Межподзонное рассеяние может сильно влиять на уширение уровней Ландау, кроме того, носители находятся в случайном потенциале, который экранируется электрона-

ми обеих подзон. Дискретность энергетического спектра 2Д электронов в больших полях приводит к изменяю заполнения подзон, а поскольку электроны верхней подзоны находятся на больших расстояниях от поверхности интерфейса и тем самым определяют форму потенциальной ямы, то межподзонное расщепление Е10 тоже будет зависеть от магнитного поля.

В настоящее время большое количество экспериментальных и теоретических работ посвящены процессам спиновой релаксации электронов в двумерных системах. Специфика двумерной задачи - квантование спина в направлении, совпадающем с направлением квантования движения электронов, а также дискретность энергетического спектра в больших магнитных полях (ho^» кг). Поскольку переворот спина электрона требует магнитного взаимодействия, можно выделить четыре основных механизма спиновой релаксации - рассеяние на парамагнитной примеси; контактное взаимодействие с основными ядрами решетки; обменное взаимодействие со спином фотовозбужденных дырок; спин-орбитальное взаимодействие и связанные с ним поправки к гамильтаниану электронной системы, приводящие к перемешиванию разных спиновых состояний. В совершенных гетероструктурах, выращиваемых методом молекулярно-лучевой эпитаксии, концентрация парамагнитных примесей может быть сделана настолько малой, чтобы не оказывать существенного влияния на релаксацию 2Д электронов. Очень большие времена релаксации неравновесной намагниченности ядер решетки (десятки минут), вызванной контактным взаимодействием с 2Д электронами, означает малую скорость и для обратного канала рассеяния. Экситонные эффекты, неизбежно возникающие при оптической накачке в симметричных квантовых ямах, должны приводить к быстрым процессам обмена спинов электрона и дырки. Релаксация спина дырки происходит быстро благодаря сильному спин-орбитальному взаимодействию - в отличии от электронов проводимости (s-состояние) дырки в GaAs имеют волновую функцию р-типа. В результате время релаксации спина дырки оказывается порядка времени релаксации по импульсу, а спин электрона может отслеживать эту релаксацию за счет обмена. Работы по деполяризации оптической ориентации двумерных носителей в скрещенном магнитном поле (эффект Ханле), времяразрешенные измерения при резонансном оптическом ориенировании дают величины - 150 пс для времени спиновой релаксации электронов, связанных в экситон со свободной дыркой.

Существующие на настоящий момент транспортные исследования спин-зависящих процессов дают косвенные оценки времени спиновой релаксации гораздо большей величины ~ 5-10 не. Есть все основания полагать, что при этом может проявляться последний из четырех рассматриваемых механизмов - спин-орбитальное взаимодействие. В этом случав перемешивание спиновых состояний осуществляется за счет членов, связанных с отсутствием центра инверсии как на гетерогранице (включая электрическое поле, формирующее яму), так и в объеме СэАб самого по себе. Решение уравнения Шредингера в квантующем магнитном поле

Е .=(п+1/2)Ьо - 1/2дц В, Е =(п+1/2)Ьо> + 1/2ды В

П* С Ь Пф С Ь

определяет энергию уровня Ландау с номером п, включая зеемановс-кое расщепление. С учетом спин-орбитальных членов .собственные энергии

будут лишь слабо отличаться от невозмущенных состояний уровней Ландау: Е « Е . ,е * е , , однако наличие перемешивания состоя-

Л+ П ♦ 1 ^ II- Л

ний с разным направлением спина ¥ += а+(п)|п,'1'> + Ь+(п)|п+1,Ф> будет определять процессы с переворотом спина, включающие изменение на единицу номера уровня Ландау.

Целью данной работы было исследование аномалий магнитосопро-тивления при заполнении возбужденной подзоны размерного квантования, а также изучение процессов спиновой релаксации двумерных электронов с применением оптических методик.

Научная новизна.

В настоящей работе впервые было обнаружено образование узлов в магнитоосцилляциях 2Д электронов при заполнении возбужденной подзоны размерного квантования. Узлы могут возникать в малых полях и сопровождаются инверсией фазы осцилляций. При наклоне магнитного поля по отношению к интерфейсу узел возникает в больших полях и не сопровоадается инверсией фазы. Оба эффекта связываются с межподзонным рассеянием.

Продемонстрировано, что ,в пределе сильных магнитных полей, максимальное значение проводимости электронов возбужденной подзоны оказывается существенно больше теоретически предсказанного предела, что, по-видимому, связано с сильным межподзонным рассея-

нием.

Из исследований поляризации рекомбинационной лкминисценции неравновесных электронов, индуцированных оптической накачкой на уровень возбужденной подзоны, определены масштабы времени их спиновой релаксации.

Обнаружен новый тип осцилляций интенсивности рекомбинационной лкминисценции с электронами неравновесно заполненной подзоны, связанный с особенностями релаксации при возникновении спиновой поляризации в электронной системе основной подзоны.

Реализован новый оптический метод для проведения точных измерений времени электронной спиновой релаксации 2Д газа в одиночных гетеропереходах. Методика основана на изменении концентрации электронной системы основной подзоны размерного квантования при приходе импульса пикосекундного лазера. Методика позволяет, по сравнению с экспериментами по оптическому ориентированию в симметричных квантовых ямах, избавиться от определяющей роли для релаксации обменного взаимодействия спинов фотовозбужденных электрона и дырки.

Научная и практическая значимость работы.

Результаты, полученные в данной работе, дают новую информацию о физических процессах, происходящих в 2Д-системах. Они помогают составить общую картину формирования самосогласованного потенциала квантовой ямы и спектра размерного квантования в системе 2Д-электронов и важны для понимания влияния различных релаксационных процессов на фундаментальные физические явления в 2Д-системах.

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены на 1-ми 2-м Российско -Германском симпозиуме "Высокотемпературная сверхпроовдимость и низкоразмерные электронные системы" (Москва - Гурзуф,1990, ФРГ, Штуттгарт - Мюнхен, 1992), докладывались на научных семинарах в ИФТТ РАН.

Структура работы.

Диссертация состоит из восьми разделов: введения, пяти основных глав, заключения и списка цитируемой литературы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении обсуждена актуальность темы, дана общая характеристика работы, сформулирована цель и научная новизна диссертационной работы, а также основные результаты, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой краткий литературный обзор работ, посвященных исследованию свойств электронных систем с пониженной размерностью. Особое внимание уделено способам изменения концентрации 2Д электронов, осцилляциям Шубникова- де Гааза в слабых магнитных полях и в условиях заполнения возбужденной подзоны размерного квантования. Рассмотрены работы по межподзон-ной и спиновой релаксации в 2Д системах.

Во второй главе обсуждаются методики, применяемые в работе. Магнитотранспортные измерения проводились на образцах в геометрии холловских мостиков, измерения велись на переменном токе частотой 17,6 Гц и амплитудой до 100 на при температуре 0,4 к. Сигнал с потенциальных контактов регистрировался с помощью детектора-усилителя lock-in , который был связан с персональным компьютером. Низкая температура получалась путем откачки паров сжиженного Не-3, в диссертации фигурирует описание специальной вставки, изготовленной для этих целей. Необходимость измерений в сильных магнитных полях, создаваемых сверхпроводящим соленоидом с характерным размером центрального отверстия 40-45мм, составляет основную трудность при изготовлении таких систем. В результате особых технических решений была изготовлена система с внешним диаметром 40мм, с шахтой для вставки образца 26мм. Система -включает в себя:

- одноградусную камеру для кондесации паров Не-3. Температура камеры задается' откачкой паров Не-4. Жидкий Не-4 может поступать в камеру из внешней ванны (криостага со сверхпроводящим соленоидом) через холодный кран.

- сборник жидкого Не-3 с теплообменником к шахте образца.

- сорбционный насос емкостью 25л Не-3 при нормальных условиях. При охлаждении сорбента ниже 20К, он способен эффективно сорбировать на своей поверхности молекулы Не-3.

Охлаждение образца осуществлялось либо теплообменным газом Не-3, либо жидким Не-3, специально сконденсированным в небольшом

количестве в шахту образца. Система позволяет поддерживать температуру 0.4К в течении 10 часов при теплоподводе (лазерное или СВЧ излучение) » 1мВт.

При оптических измерениях внешнее фотовозбуждение образца осуществлялось непрерывными лазерами : аргоновым ila-120-1 или гелий-неоновым ЛГ-79. Накачка и сбор рекомбинационного сигнала 2Д-электронов осуществлялись по одному световоду, торец которого располагался непосредственно перед образцом. Регистрирующая система включала в себя монохроматор МДР-23, фотоумножитель ФЭУ-79, работавший в режиме счета фотонов, систему счета фотонов Brookdeal-5CI. Запись спектров осуществлялась на персональный компьютер. Для анализа циркулярной поляризации люминисценции использовался оптический криостат с горизонтальным магнитным полем. Источником излучения служил перестраиваемый (7400 - 8400 Я) лазер на основе кристалла Ti-Sp, первоначальная накачка лазера осуществлялась аргоновым лазером ila-120-1 мощностью 3.5Вт, выходная мощнось перестраиваемого лазера составляла -ЗООмВт. В качестве циркулярных поляризаторов использовались прецезионные кварцевые пластины производства французской фирмы "jean fichou", настраиваемые на нужный спектральный диапазон по лазеру. Регистрирующая система включала автоматизированный двойной монохроматор фирмы "jobin yvon".

Далее во второй главе описан используемый в работе метод время-скоррелированного счета фотонов, обсуждаются его возможности и особенности, представлено краткое описание и характеристики пикосекундной лазерной системы, служившей источником возбуждающего излучения.

Третья глава посвящена исследованию магнитосопротивления системы двумерных электронов при заполнении возбужденной подзона размерного квантования в одиночном гетеропереходе AlGaAs-GaAs. Для заселения возбужденной подзоны исходная концентрация электронов ns0=< 3*101!см~2 увеличивалась с помощью кратковременной засветки образца до ns0*5+7*10' 'см"2, с подвижностью до до<*6*105см2/В*с. Засветка велась светом с энергией фотонов превышающей ширину запрещенной зоны в GaAs, что приводило к нейтрализации слоя обеднения. При низких температурах слой обеднения не мог полностью восстановиться после выключения засветки. Уширение

ямы при изменении заряда в слое обеднения приводит к уменьшению межподзонного расщепления. Возбужденная подзона могла быть заселена при меньшей суммарной концентрации электронной системы. Кратковременный отогрев образца до температуры <*20К приводил к восстановлению исходной концентрации электронов.

Эффект образования узлов в осцилляциях Шубникова - де Гааза (ОШдГ) наиболее ярко проявлялся на одном из наших образцов при концентрации 4.85*Ю1'см"2 и температуре 0.4К. Образование узла сопровождалось изменением фазы ОШдГ, а значит и изменением четности фактора заполнения, отвечающего минимуму в осцилляциях (вырождение по двум проекциям спина приводит к тому, что в обычной ситуации факторы заполнения оказываются четными). Нами наблюдалось до трех узлов при факторах заполнения 33+36, 51+54, 75+78. При уменьшении концентрации 2Д электронов второй и третий узлы размывались значительно сильнее, чем первый, и очень быстро исчезали. Уменьшение п ниже «4*10*1 см"2 приводило к исчезновению всех особенностей в амплитуде и фазе ОЩдГ. Наклон магнитного поля по отношению к нормали к плоскости гетероперехода практически не менял значений фактора заполнений, соответствующих узлу. Появление узла связано с началом заполнения верхней подзоны размерного квантования, а именно с появлением в спектре ОЩдГ двух очень близких частот г^и ni-п2, где п(и г>2 - концентрации в верхней и нижней подзонах соответственно. Разностный член связан с усилением межподзонного рассеяния при совпадении уровней Ландау разных подзон. Возникающие осцилляции транспортного времени жизни приводят к осцилляциям сопротивления. Поскольку рассеяние не так чувствительно к парметру M/hv как магнитоосцилляции плотности состояний на уровне Ферми (с частотой отвечающей nt), в малых магнитных полях осцилляции на разных частотах могут проявляться с одинаковым весом. Результирующая картина ОЩцГ будет включать в себя основные осцилляции на частоте r^-i^/2 и огибающую их амплитуды на частоте п2/г. При изменении знака огибающей будут образовываться узлы с изменением фазы осцилляций на п. Появление разностной частоты может быть заметным только при малых амплитудах ОЩДГ (малые поля, высокие температуры, образцы не очень высокого качества) т.к. межподзонное рассеяние в перпендикулярном магнитном поле может обуславливаться флуктуациями случайного потенциала по нормали к плоскости гетероперехода или электрон-электронным

взаимодействием, а значит и матричный элемент для таких переходов очень мал.

На другом образце нам удалось провести измерения при существенно большем заполнении верхней подзоны, поэтому оказалось возможным исследовать магнитотранспортные свойства электронов верхней подзоны в области больших магнитных полей. В зависимости И

их

ии от магнитного поля отчетливо видны два периода, которые

*У 11 -2 соответствуют коцентрациям электронов п = 5,6-10 см в основной подзоне и па2= 1,0-10псм"2 в верхней подзоне. Это связано с тем, что в измеряемые величины входят сх5(п11) + °"хх(п,2) и

а- = сг (п ) + <г (п ). На месте фактора заполнения V = 8 в

ху х у »1 хух 82 г 1

нижней подзоне появляется пик магнитосопротивления,соответствующий фактору заполнения V = 1,5 в возбужденной подзоне (т.е. уровень Ферми лежит на середине верхнего спинового подуровня возбужденной подзоны с N=0). В этом же магнитном поле на и происходит

ху

переход с плато, соответствующего у= 10, на плато, соответствующее 9. Исследуемый пик связан с проводимостью в возбужденной подзоне при изменении фактора заполнения в ней с 2 на 1. Пересчитанная зависимость а = р /{р2 + р2 ) от магнитного поля при

хх х х х у ху 4

сранении с результатами расчёта Андо о-шх= (е /тг &)*(N+1/2) показывает, что пиковое значение а возбужденной подзоны с N=0 аномально велико, в то время как пиковые значения <г основной подзоны гораздо меньше, чем следовало бы из формулы. Необходимо подчеркнуть, что единственное наблюдение в гетеропереходах значений максимумов проводимости приближающихся к расчетам Андо было сделано при введении примеси (или Ее) прямо в слой двумерных электронов для изменения характера рассеяния в гетеропереходе. По мере увеличения концентрации примесей наблюдался рост пиковых значений В МДП структурах совпадёние с теорией наблюдалось

всегда из-за преобладания короткодействующих рассеятелей. В нашем случае локализованные электроны нижней подзоны (1^=8) могут выступать как дополнительные центры рассеяния, причем встроенные прямо в канал, для электронов верхней подзоны.

Качественно этот результат можно понять исходя из простой диффузионной модели: проводимость в больших полях возникает при прыжках центра координат циклотронной орбиты, вызванных рассеянием. В случае короткодействующих рассеивателей размер прыжка будет порядка радиуса циклотронной, орбиты, и коэффициент диффузии цент-

ра орбиты будет равен: Б*= С21**1)-1 > где т_ транспортное время жизни. Максимум плотности состояния может быть оценен из ширины уровня Ландау и кратности его вырождения: 0(Ег)<* к '

Используя соотношение Энштейна, мы можем оценить

сг°°х="е20(Е^)0*=| (N+1/2). Рассеяние на электронах нижней подзоны может увеличить размер прыжка до 2 (2Ы +1)1/2, соответственно и номер Л, фигурирующий в теории, больше не будет отвечать номеру уровня Ландау верхней подзоны.

На этом же образце при той же самой засветке проводились измерения магнитосопротивления в наклонных магнитных полях. Сравнение зависимостей Я от фактора заполнения у в перпендикулярном магнитном поле и для углов наклона 66 и 75 градусов от нормали к интерфейсу обнаруживает исчезновение минимумов, обусловленных спиновым расщеплением (в суммарно большем магнитном поле) и уменьшение амплитуд осцилляций Шубникова-де Гааза, что, несомненно, свидетельствует об уширении уровней за счет усиления межпод-зонного рассеяния. При опустошении возбужденной подзоны с помощью .инфракрасной подсветки (приводящей к полному восстановлению слоя обеднения в объеме СаАэ, а значит и к сужению ямы, т.е. к увеличению межподзонного расщепления) эти аномалии исчезают. Интересным следствием уширения уровней является подавление амплитуды осцилляций в том месте по магнитному полю, где химпотенциал системы попадает в область делокализованных состояний возбужденной подзоны. В данном случае это происходит около 1>г=3. При увеличении угла наклона в этом месте может образовываться узел, не сопровождающийся однако изменением фазы осцилляций. Этот эффект можно объяснить возникновением резонансного канала рассеяния электронов из делокализованных состояний нижней подзоны в совпадающие по энергии делокализованные состояния верхней подзоны при усилении межподзонного рассеяния в параллельном магнитном поле. При дальнейшем увеличении угла наклона узел начинает образовываться при больших факторах заполнения нижней подзоны, что вызвано разницей диамагнитных сдвигов дна нижней и верхней подзон в параллельном поле. Это соответствует увеличению межподзонного расщепления и, следовательно, уменьшению концентрации электронов в верхней подзоне.

Заметим, что узел в ОШДГ в наклонном поле и узел в ОЩДГ в

малых полях возникают благодаря резонансному межподзонному рассеянию при совпадении вееров уровней Ландау разных подзон. Принципиальное отличие между ними состоит в следующем: -Узел в ОЩДГ в наклонном поле связан с уширёнием уровней Ландау нижней подзоны, а значит не сопровождается инверсией фазы осцил-ляций.

-Узел в ОШДГ в малых полях связан с появлением двух близких частот из-за осцилляций транспортного времени жизни на разностной частоте. Результатом изменения знака огибающей при прохождении узла является инверсия (изменение на л) фазы ОШДГ.

Четвертая глава посвящена исследованию осцилляций интенсивности рекомбинационного излучения 2Д-электронов из неравновесно заполненной первой возбужденной подзоны размерного квантования с целью определения характерных масштабов спиновой релаксации. В наших экспериментах исследовались спектры рекомбинации 2Д электронов в одиночном гетеропереходе с дыркой, связанной на акцепторе, который находился в г-слое на расстоянии 300Й от электронного канала. Концентрация электронов основной подзоны задавалась заряженными примесями (легированием AlGaAs ) за спейсером, составлявшим 225Ä. Влияние свободных дырок на релаксацию 2Д электронов в наших экспериментах было сведено к нулю - дырка на акцепторе является нейтральным образованием, слабое перекрытие волновых функций 2Д электрона и дырки следует из аномально длинных радиационных времен рекомбинации электронов нижней подзоны с фотовозбужденной дыркой, находящейся на акцепторе, - 270 не (для верхней подзоны это время несколько короче ~ 30нс из-за большей протяженности волновой функции в объем GaAs).

Как известно, возникающие в эксперименте магнитоосцилляции интенсивности рекомбинации с электронами из неравновесно запол-' ненной возбужденной подзоны размерного квантования отражают осцилляции времени безызлучательной релаксации неравновесных электронов, индуцированных оптической накачкой на уровень возбужденной подзоны. Время жизни в максимумах осцилляций составляет десятки наносекунд, а в минимумах ~ 5 не. спектры рекомбинации были измерены нами в магнитных полях, соответствующих фактору заполнения 4 в основной подзоне, в максимуме и минимуме осцилляций интенсивности рекомбинации из возбужденной подзоны. Они изме-

рялись в <г- и <т+ поляризациях, спектры в оч- поляризации нормировались на поляризацию дырок. Исходя из схемы оптических переходов между электронными и дырочными уровнями, и учитывая разницу матричных элементов - 1:3 для переходов с легкой (±1/2)и тяжелой (±3/2) дырками можно показать, что даже в больших магнитных полях поляризация люминисценции будет зависеть от электронной поляризации, причем эта зависимость очень близка к линейной: р= ро+ ар^. При факторе заполнения 4 электроны нижней подзоны не могут быть поляризованы по спину - все спиновые подуровни О-го и 1-го уровней Ландау заполнены полностью. Поляризация рекомбинационного излучения с электронами основной подзоны отражает лишь поляризацию спинов дыроЧной системы, поэтому спектры в о-+ и <г- поляризациях домножались до совпадения. Разница между отнормированными спектрами в районе рекомбинации с неравновесными электронами возбужденной подзоны является проявлением их спиновой поляризации. Хорошо видна разность между ситуациями, отвечающими большему времени жизни неравновесных электронов (большая спиновая поляризация ) и меньшему времени жизни (малая спиновая поляризация). Ориентация спинов возбужденных электронов квантующим магнитным полем не успевает произойти за первые несколько наносекунд и оканчивается за последующие десятки не.

При понижении температуры образца, в магнитоосцилляциях интенсивности рекомбинационного излучения с электронами возбужденной подзоны появляются дополнительные максимумы в районе нечетных факторов заполнения 1>=3 и 1>=5. Эти дополнительные пики имеют резкий срыв, когда фактор заполнения становится меньше целочисленного нечетного значения. Появление дополнительных максимумов в районе нечетных факторов заполнения при понижении температуры можно объяснить усилением спинового расщепления. А именно, считая, что релаксация без переворота спина является более быстрым процессом, чем с переворотом спина, мы имеем в случае Т=4,2К ддн<кт, где ц - магнетон Бора, д=-0,44 -эффективный д--фактор электрона в СаАэ (дцН=1,8К в поле 6Т). Следовательно, при такой температуре оба спиновых подуровня в основной подзоне заселены в районе нечетных факторв заполнения примерно одинаково, вакансии для релаксации существуют на обоих спиновых подуровнях и быстрая межподзонная релаксация возможна для обоих направлений спина в возбужденной подзоне. При понижении температуры до т=0,4К

дцн>кт, возникает существенная разница в заселенности спиновых подуровней в основной подзоне, что в свою очередь приводит к эффективному увеличению спинового расщепления за счет обменного взаимодействия. Таким образом, в районе нечетных факторов заполнения вакансии существуют только на верхнем спиновом подуровне в основной подзоне, и эффективная релаксация может происходить только для электронов с верхнего спинового подуровня возбужденной подзоны. Релаксация электронов с нижнего спинового подуровня значительно замедляется, вызывая наблюдаемое в эксперименте увеличение интенсивности. Когда фактор заполнения становится меньше нечетных значений, вакансии для релаксации появляются и на нижнем спиновом подуровне, интенсивность при этом резко 'уменьшается до нуля.

Чувствительность сигнала люминисценции из возбужденной подзоны к спиновой температуре системы могла бы служить основой для оптического детектирования электронного спинового резонанса. Возможности создания такой методики обсуждаются в диссертации.

Пятая глава посвящена точному определению времен спиновой релаксации с помощью измерений методом время-скоррелированного счета фотонов при оптической накачке пикосекундными импульсами лазера на А= 6050Я. Мощный умпулъс лазера был расфокусирован в пятно - Змм на образце (средняя плотность мощности - 50мВт/см2). Для исключения эффектов, связанных с неоднородностями в засвеченной системе, люминисценция детектировалась из ценральной части лазерного пятна размерами около О,1мм. Идея измерений основана на эффекте уменьшения концентрации 2Д электронов при фотовозбуждении фотонами с энергией больше ширины запрещенной зоны в А1СаАБ. При достаточно мощных импульсах накачивающего лазера можно наблюдать следующую установившуюся зависимость концентрации электронов от времени : скачкообразное изменение концентрации сразу после прихода импульса лазера и последующую медленную релаксацию вплоть до прихода через 1,2мкс следующего импульса. Спектры рекомбинацион-ной люминисценции демонстрируют хорошо заметную разницу в положении уровней Ландау перед приходом импульса лазера (задержка 1мкс) и сразу после прихода (задержка 2,5нс). Изменение положения уровней за первые 40 не весьма малы,так что, в хорошем приближении, мы могли изучать относительно короткие процессы спиновой релакса-

ции после скачкообразного изменения концентрации 2Д электронов. Фактор заполнения в 2Д газе до и после прихода лазерного импульса можно с хорошей точностью (- 5%) определить по полному погасанию линии рекомбинации с электронами 1-го уровня Ландау. Магнитное поле при этом соответствует фактору заполнения v=2 2Д-электронов. Фактор заполнения в произвольном поле легко может быть вычислен: v=2h/Hq. Нами специально были подобраны мощность лазера и магнитное поле (Н=2,6Т) так, чтобы осуществлялся скачок с фактора заполнения 4 на фактор заполнения 3 сразу после прихода импульса лазера. Двумерные электроны, изначально не поляризованные по спину (на факторе заполнения 4 все спиновые подуровни заполнены полностью), скачком переводились в ситуацию, в которой на верхнем уровне Ландау должна возникнуть поляризация за счет зеемановского расщепления. Время установления этой поляризации и составляло предмет наших измерений.

Нами была измерена зависимость поляризации р={сг -сг )/(<г_+сг ) 0-го и 1-го уровней Ландау в описанной выше ситуации. Разница между кривыми, как было отмечено выше, связана с разной спиновой поляризацией рекомбинирующих электронов. Время установления спиновой поляризации дырок на акцепторе, исследованное ранее, г -1,7 не получено из зависимости степени поляризации p=p0"(l-e"t/'th) 0-го уровня Ландау, на котором электронная поляризация: отсутствует полностью. Из зависимости p(t) видно, что, в отличие от 0-го, поведение поляризации 1-го уровня Ландау не удается описать одноэкспоненциальной зависимостью. Разница

Ар=р -р , связанная с поляризацией по спину электронов 1-го уров-

-t/r

ня Ландау, хорошо описывается формулой у(1-е ' в)для постоянной времени тв=4,5нс, r(t) - слабо падающая зависимость, отражающая увеличение концентрации 2Д электронов. К приходу следующего импульса через 1,2мкс r(t) упадет до нуля, поскольку фактор заполнения станет равен 4 к оба спиновых подуровня 1-го уровня Ландау окажутся заполнены одинаково полностью. Аналогичная процедура была проделана для большей мощности лазера и магнитного поля Н=4,9Т , когда фактор заполнения скачком менялся с 2 до 1. Из-за того, что 0-й уровень Ландау (а в этой ситуации все электроны находятся только на нем) изменяет свое спектральное положение при таких мощностях лазера слишком быстро, мы определяли степень поляризации из спектров. Время спиновой релаксации оказалось

равным 10±3 не.

Полученные нами времена установления спиновой ориентации возбужденной системы двумерных электронов ~ 5нс в поле 2,6Т сильно отличаются от результатов опубликованных до сих пор оптических исследований, в которых главную роль играют обменные взаимодействия спинов фотовозбужденных электрона и дырки, и совпадают с временами, косвенно извлеченными из транспортных измерений. Торможение релаксации в больших магнитных полях для меньших номеров уровня Ландау может соответствовать механизму спиновой релаксации через спин-орбитальное взаимодействие. Это видно из формул, приведенных в введении к автореферату, спин-орбитальные поправки входят в аналитические выражения с весом (п+1)/!л) .

В заключении сформулированы основные результаты, выносимые на защиту:

1. В малых магнитных полях, при концентрациях 2Д электронов близких к началу заполнения верхней подзоны размерного квантования, обнаружен необычный эффект возникновения узлов в осцилляциях Шубникова - де Гааза, сопровождающийся изменением на п фазы осцилляций.

2. При увеличении параллельной компоненты магнитного поля обнаружено уширение уровней Ландау нижней подзоны из-за усиления меж-подзонного рассеяния. Это приводит к подавлению осцилляций Щубникова - де Гааза при совпадении делокализованных состояний разных подзон- Получающийся узел не сопровождается изменением фазы осцилляций.

3. Максимальные значения проводимости верхней подзоны оказываются существенно больше предсказаний теории Андо , хотя в гетеропереходах максимумы осцилляций проводимости нижней подзоны всегда в несколько раз меньше результатов расчета по этой теории.

4. Впервые осуществлено прямое оптическое детектирование процессов установления спиновой ориентации двумерных электронов в квантующем магнитном поле в условиях, когда поправки, связанные с обменным взаимодействием спинов электрона и фотовозбужденной дырки,сведены к нулю. Из исследований рекомбинационной люминис-ценции неравновесных электронов, индуцированных оптической накачкой на уровень возбужденной подзоны, определены масштабы времени

их спиновой релаксации:

а) В стационарных условиях возбуждения в квантующем магнитном поле обнаружено изменение спиновой поляризации неравновесных электронов первой подзоны при изменении их времени жизни.

б) Обнаружен новый тип осцилляций интенсивности рекомбинационной люминисценции с электронами неравновесно заполненной подзоны, связанный с торможением релаксации без переворота спина при возникновении спиновой поляризации в электронной системе основной подзоны размерного квантования на нечетных факторах заполнения при низких температурах (0,4К) и больших магнитных полях (е ЗТ).

5. Реализован новый оптический метод для проведения точных измерений времени электронной спиновой релаксации 2Д газа в одиночных гетеропереходах. Методика основана на изменении концентрации электронной системы основной подзоны размерного квантования при приходе импульса пикосекундного лазера.

6. Время установления спинового равновесия, определенное из время-разрешенных измерений, оказалось порядка 5нс в поле 2,6 Т. Продемонстрировано замедление спиновой релаксации с уменьшением номера уровня Ландау и одновременным увеличением магнитного поля. Экспериментальные результаты свидетельствуют в пользу механизмов переворота спина, связанных со спин-орбитальным взаимодействием.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих научных работах:

1. М.Г.Гаврилов.С.И.Дорожкин, В.Е.Житомирский, И.В.Кукушкин, "Усиление спинового расщепления во второй подзоне размерного квантования в одиночном гетеропереходе СаАБ-А1СаАв",

Письма в ЖЭГФ, 1989, т.49, стр.402-405

2. В.Е.Житомирский, "Аномалии магнитопроводимости двумерных электронов при заполнении второй подзоны размерного квантования в гетеропереходе СаАБ-А1СаЛз. Межподзонное рассеяние."

Письма В ЖЭТФ, 1992, т.55, стр.657-6в1

3. В.Е.Житомирский,И.Е.Ицкевич,В.Е.Кирпичев, К.фон Клитцинг, И.В.Кукушкин, В.Б.Тимофеев "Аномальная температурная зависимость магнитоосцилляций интенсивности рекомбинационного излучения двумерных электронов", Письма в ЖЭТФ, 1992, т.56, стр.215-220.

4. В.Е.Житомирский, В.Е.Кирпичев, А.И.Филин, В.Б.Тимофеев, Б.Н.Шепель, К.фон Клитцинг, "Оптическое детектирование спиновой релаксац " зозбуждении".

Письма

Зак. В65

Тир. 70

30.08.93

Отпечатано б ТОО 'Принт