Электрическое дипольное эхо в полупроводниках и стеклах Мурадов, Магомед Идрисович

Введение к работе

Актуальность геми. В последнее мремя не ослабевает интерес к ичуч< нию свойств неупорядоченных конденси;* нштых сред, таких как стоила, легированные кристаллические и аморфные полупроводники и т.д.. Одним из »<{.(|и. к-тивных методой изучения спектральных и релаксационных характеристик таких веществ служит наблюдение электрического дипольного (і}от иного) их а. Электрическое диполыюе эхо—когерентное нелинейное явление, заключающееся п возникновении сфазироватшого (когерентного) движении дипольних моментов в среде, предварите но возбужденной' последовательностью импульсов электромагнитного поля, причем в промежутке времени между импульсами среда ведет себя макроскопически как левозмущенная. Так как врем» на, на которых производится наблюдение сигнала эха, достаточно короткие, гх) наблюдение эффекта дает возможность изучать бистропрогекающие физически» процессы в твердых телах.

Исторически термин эхо возник при изучении системы сшшов. Известно, что спин электрона, помещенный в мапшлюе иоле, эквивалентен системе из двух уровней. Повтому модель двухуровневой системы (ДУС) нашла широкое применение в физике твердого тела для описания взаимодействия внеш. .го электромагнитного поля с атомтлми системами.

Многие низкотемпературные свойства стекол, по .гипотезе Андерсона, Гальперина, Вармы и Филлипса [1], [2],объясняются существованием в них ДУС. На ансамбле ЛУС в стеклах и можно наблюдать явление эха.

При описании высокочастотной прыжковой проводимости полупроводником используется так называемая даухузельная модель, которая оказывается эквивалентной концепции ЛУС в стеклах [3]. Поэтому и здесь можно ожидать возникновение нелинейных эффектов типа эха.

Успехи в получении очень коротких (фемтосекунддих) импульсов света привели к возможности исследований быстропротекающих процессов с такими .«« характерными временами. В литературе сообщалось о наблюдении фемтосп-кундного двухиміїульсиого ежа на межзонных переходах в GaAs [4,5]. Пило обнаружено, что времена затухания эффекта эха составляют фем посеку или

- It -

Во.шикает вопрос, какой физический механизм приводит к столь малым временам затухания.

С точки зрения практических применений фотонное ехо может использоваться в системах "памяти" оптически); вычислительных машин, так как импульс фоюшюго эха появляется через определенное время после воздействующих импульсов и распространяется в заданном направлении. Еще одпо возможное применение эффекта—это использование в динамической вхо-голог-рофнл [6J. Таким образом, тему диссертации можно считать актуальной. Ак-уалыюсть темы снязана, во-первых, с необходимостью адекватного описания алектрическош дипольного вха в системе ДУС в стеклах и па парах заполненный— пустой донор в высокочастотной прыжковой проводошости полупроводников и, во-вторых, с необходимостью изучения типичного для полупроводников механизма затухания фемтосекундного эха на межзонпых переходах.

Целью исследовании является построение последовательной теории явления электрического дипольного эха в стеклах, электрического дипольного exa в режиме прыжковой проводимости полупроводников, а также теории затухания фемтосекундного эха на межзсышх переходах в полупровод.шках.

Научная долизиа работы заключается в том, что в ней впервые дано решение сформулироваппых ниже задач, а именно:

1. как проявляется широкий энергетический спектр ДУС в стеклах на аффекте яха;

2. какие физические объекты ответственны за эхо в режиме высокочастотной прыжковой проводимости полупроводников;

3. каков закон затухания эха при учете разброса туннельных прозрачностей ЛУС;

4. каков физический механизм затухания фемтосекундного эха ва межзонных переходах в полупроводнике.

Оі-иоячие положения, выносимые на защиту:

1. Широкий энергетический спектр ДУС в стеклах проявляется п том, что
сигнал двухимпульсного эха cyi:v"-c^-niy«vr на ирсмеїшом интервале, or

t = 2r₂₁ — Г] — т-і до і = 27"2i + Tj 4- r>, где т₃₁- интервал времени можцу им-пульсами накачки, т^ті-длнтслмюсти первого и пторого импульса. c)ivt результат лпляетсл следствием постоянства плотности состояний ЛУС н стеклах.

2. Эхо в режиме высокочастотной ирмжкопой проводимости полупроводников обусловлено взаимодействием внешнего переменного электрического поля с парами заполпоннмЙ-цустон донор. При чалих амплитудах им-цульсов возбуждающего поля огибающая имнульса-аха симметрична и длительность импульса-эха о этом случае определяется длительностью возбуждающих импульсов. С увеличением амплитуды ноля огибающая приближается к антисимметричному виду и длительность импульса-аха определяется обратной частотой 1'аби резонансных пар.

3. Затухание сигнала эха является следствием взаимодействия ДУС (пар) с фононами и взаимодействия ДУС (пар) друг с другом. Учет разброса туннельных прозрачиостей резонансных ДУС приведет к тому, что начальный участок спада амплитуды эха почти всегда имеет степенной, а не экспоненциальный характер.

4. К затуханию эха на межзонных переходах п полупроводниках ведет «ля-имодействие носителей друг с другом, приводящее к сбою фалы (потери фазовой памяти) когеречтного состояния электрон—дырка. Показано, что к сбою фазы когерентного смешанного состояния может приходить н« только взаимодействие с движущимися носителями, по и взаимодействие с статическими примесями.

Практическая ценность диссертапиошой работы заключается и том, что построеішал 'теория двухимпульсного аха позволяет адекватно интерпретировать эксперименты по алекгриччск"му дтыяьчоиу вху в стеклах, которые можно использовать для определении различных характеристик как самих ЛУС и

-6 ~

січ клах, тзк и их окружения. Из эксперимента по двухиміїульсному эху можно получить информацию о кременах релаксаций ДУС, о плотности их состояний, о константе, взаимодействия ДУС в стеклах с фонолами, о величине дипольного момента ЛУС.

Наблюдение эффекта в режиме высокочастотной прыжковой проводимости полупроводников позволит измерить времена релаксаций електрона, локализованного на паре доноров. Как известно, эти времена определяют высокочастотную прыжковую проводимость.

Предлагаемая теория затухания фомтосекундного аха на межзонных переходах в полупроводнике описывает самый ранпий этап эволюции неравновес-пой системы при приближении к равновесию. Изучение таких очень быстрых процессов распада когерентного состояния, созданного светом, представляет несомненный интерес и с точки зрения общей теории необратимых процессов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции по физике фононов (ФРГ, Хайдельберг, 1939 год), на Международной конференции по теории полупроводников (Греция, Салоники, 1990 год), иа Всесоюзной конф ,>енции по физике полупроводников (Киев, 1990 год), на Всесоюзном совещапии по теории полупроводников (Донецк, 1989 год), а также на семинарах лаборатории теоретической физики и на семинарах сектора физической кинетики (ФТИ РАН им. А.Ф.Иоффе).

Публикации. Основные результаты дчссертации опубликованы в 7 печатных работах, з том числе в 2 статьях и в 5 тезисах конференций. Список опубликованных работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. .Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений, изложенных на 90 страницах машинописного текста. Лиссеотация включает также 9 рисунков и список литературы из 72 наименований. Общий обьем диссертации составляет 105 страниц.