Введение к работе
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 больших 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 меясподзонное расщепление Е 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 (hu » 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 GaAs самого по себе. Решение уравнения Шредингера в квантующем магнитном поле
Е .=(n+l/2)ho - l/2gu В, Е =(n+X/2)hu + l/2gu В
п^ с о Па с Ь
определяет энергию уровня Ландау с номером п, включая зеемановс-кое расщепление. С учетом спин-орбитальных членов .собственные энергии
Е„±= <*..,/ V2 * к<Е„-^- V2>2+ *Чдп+1>і1/г
будут лишь слабо отличаться от невозмущенных состояний уровней Ландау: Е » в . ,Е » Е . , однако наличие перемешивания состоя-
П+ 11+1*. II- Лж
ний с разным направлением спина * += ач.(п)|п,+> + Ь+(п)|п+г,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 осцилляции. При наклоне магнитного поля по отношению к интерфейсу узел возникает в больших полях и не сопровождается 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-
ниєм.
Из исследований поляризации рекомбинационной люминисценции неравновесных электронов, индуцированных оптической накачкой на уровень возбужденной подзоны, определены масштабы времени их спиновой релаксации.
Обнаружен новый тип осцилляции интенсивности рекомбинационной люминисценции 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.
