Коллективные и одночастичные возбуждения в двойных электронных слоях Товстоног, Сергей Валерьевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Исследование полупроводниковых низкоразмерных электронных систем в течение' последних десятилетий является одним из наиболее актуальных и интенсивно развивающихся направлений в физике твердого тела. В первую очередь, это связано с открытием принципиально новых фундаментальных физических явлений - целочисленного и дробного квантового эффекта Холла. Кроме того, достигнутый прогресс в области технологии приготовления образцов позволил уменьшить характерные размеры элементов полупроводниковых структур до масштаба, сравнимого с межатомным расстоянием, а число электронов, участвующих в работе полупроводниковых устройств, достигло нескольких десятков и даже единиц. Поэтому внедрение технологии столь высокого уровня оказалось тесно связано с развитием квантомеханической теории низкоразмерных электронных систем. Специфика такого рода объектов заключается прежде всего в том, что их энергетический спектр во многом определяется размерным квантованием, связанным с ограничением движения носителей в пространстве. На свойства низкоразмерных систем большое влияние оказывает многочастичное кулоновское взаимодействие. Эти факторы усложняют теоретическое моделирование процессов в таких системах и выводят на первый план экспериментальные методы исследования.

Полупроводниковые гетероструктуры на основе GaAs/AlGaAs, выращенные методом молекулярно-пучковой эпитаксии, являются очень удобными объектами для экспериментального исследования электрон-дырочных и электрон-электронных систем в условиях размерного квантования. При этом важная роль в исследованиях отводится оптической методике, которая позволяет с высокой точностью получать информацию об энергетическом спектре систем. Более того, оптические свойства наноструктур важны с точки зрения их применения в современной электронике, в частности при создании полупроводниковых каскадных лазеров.

В гетероструктурах с GaAs/AlGaAs квантовыми ямами (КЯ) из-за разницы ширины запрещенной зоны двух полупроводниковых материалов, на границе раздела возникает потенциальный барьер, что приводит к ограничению движения носителей в одном из пространственных направлений. В результате система становится квазидвумерной (2Д), с энергетическим спектром, состоящим из совокупности подзон размерного квантования. Наличие внешнего магнитного поля, перпендикулярного плоскости 2Д слоя, приводит к квантованию движения носителей в плоскости квантовой ямы, вследствие чего энергетический спектр системы разбивается на дискретные уровни Ландау. Данная особенность является специфическим свойством 2Д-систем и приводит к чрезвычайно интересным макроскопическим явлениям квантовой природы. Так, в двумерных электронных системах с высокой подвижностью носителей были открыты целочисленный |1) и дробный [2] квантовые эффекты Холла. В частности, дробный квантовый эффект Холла связан с конденсацией газа взаимодействующих электронов в новый тип

:, национальная! БИБЛИОТЕКА }

квантовой несжимаемой Ферми-жидкости, не имеющей аналогов в физике [3]

Создание образцов с параллельными двумерными электронными каналами, расположенными близко друг к другу, позволило контролируемым образом ввести дополнительную степень свободы, связанную с движением электронов в направлении, перпендикулярном 2Д-слоям. Примером таких структур являются двойные квантовые ямы (ДКЯ) с высокой электронной подвижностью и возможностью управлять электронной плотностью независимо в каждом слое. Было предсказано, что пространственное разделение электронов увеличивает стабильность состояния вигнеровского кристалла [4|, более того возможен фазовый переход электронной системы в сверхпроводящее состояние (высокотемпературная сверхпроводимость) (5). Исследование спектра элементарных возбуждений ДКЯ показало, что межслоевое электрон-электронное взаимодействие сильно влияет на энергетический спектр электронов в целочисленном и дробном квантовом эффекте Холла и приводит к появлению дробен с четными значениями знаменателя [6, 7].

В последнее время все большую актуальность приобретают исследования двумерных систем методом неупругого рассеяния света. В отличие от маг-нитотранспортной методики, дающей информацию о структуре состояний вблизи уровня Ферми, неупругое рассеяние света является наиболее точным методом для исследования энергетического спектра низкоразмерных электронных систем. По существу, это единственный метод с помощью которого возможно исследовать дисперсию электронных возбуждений. Стандартные методы ИК-споктроскопии и излучательной рекомбинации 2Д-электронов с фотовозбужденными свободными дырками также позволяют получить информацию о дисперсии возбуждений, но только в длинноволновой области спектра, где отсутствует информация о межэлсктронном взаимодействии. Спектр же возбуждений в области волновых векторов неупругого рассеяния света зависит от межэлектронного взаимодействия, которое и определяет дисперсию волн/спиновой плотности в квантовом эффекте Холла, магни-торотонную щель в дробном КЭХ, спектр магнитофононов в вигнеровском кристалле и перенормировку спектра магиитоплазменных мод.

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование коллективных и одночастичных возбуждений в двойных квантовых ямах как во внешнем магнитном поле, так и в его отсутствии.

Методы исследований. Исследования проводились методом неупругого рассеяния свега с изменяемым квазиимпульсом передачи. Эта методика широко применяется для исследований законов дисперсии различных квазичастиц, однако до настоящего времени она использовалась лишь в нулевом магнитном поле, поскольку в оптических криостатах с большими магнитами появляются сложности, связанные с малостью апертуры окон криоста-тов. Нами был разработан новый многосветоводный метод, позволяющий измерять сигнал рассеяния света с большим импульсом передачи в сильном магнитном поле (до 20 Т) и при низких температурах (до 30 мК). В этом методе фотовозбуждение осуществляется по одному из световодов, а прием

рассеянного сигнала - по другому. Импульс передачи определяется взаимной конфигурацией этих световодов и варьировался от 0.2 до 1.5х10⁵ см^-1. Научную новизну работы составляют следующие результаты, выносимые на защиту:

1. Разработана оригинальная двухсветоводная методика измерения спектров неупругого рассеяния света с изменяемой величиной передаваемого квазиимпульса в условиях сверхнизких температур и больших магнитных полей. Метод был применен для исследования межподзон-ного спектра возбуждений 2Д-электронов в одиночной GaAs/AlGaAs квантовой яме в перпендикулярном магнитном папе.

2. Исследованы спектры плазменных возбуждений в двойных электронных слоях (двойные квантовые ямы GaAs/AlGaAs). Обнаружена и исследована новая коллективная мода - акустический плазмон. Измерен закон дисперсии акустического плазмона, зависимость его энергии от электронной плотности и расстояния между ямами.

3. В перпендикулярном магнитном поле обнаружена гибридизация акустического и оптического плазмонов с циклотронной модой и исследованы свойства гибридных магнитоплазменных возбуждений.

4. Установлено, что акустический и оптический плазмоны в двойных квантовых ямах во внешнем параллельном магнитном поле демонстрируют анизотропию в зависимости от взаимной ориентации магнитного поля и квази им пульса.

5. Обнаружен новый класс одночастичных возбуждений в двойных электронных слоях с туннельной связью между слоями. Измерен закон дисперсии и зависимость энергий данных возбуждений от степени разба-лансировки слоев. Предложен новый спектроскопический метод определения степени разбалансировки двойных слоев.

6. Измерены щели в спектре коллективных и одночастичных возбуждений, связанные с туннельным межьямным расщеплением (величина расщепления между симметричным и антисимметричным состояниями As as)- Впервые изучен спектр коллективных магнетовозбуждений в двойных электронных слоях с тунельиой связью. Обнаружены магне-товозбуждения, соответствующие электронным переходам с одновременным изменением номеров уровней Ландау и индексов туннельных подзон - туннельные бернштейновские моды.

Научная и практическая ценность работы определяется полученными новыми экспериментальными результатами, дающими информацию об энергетическом спектре квазидвумерных возбуждений в одиночных и двойных квантовых ямах, роли кулоновского взаимодействия в таких системах. Эти результаты важны не только для более глубокого понимания фундаментальных вопросов физики низкоразмерных структур, но и с точки зрения практических применений при разработке полупроводниковых лазеров и других оптоэлектронных приборов.

Апробация работы. Результаты представленных в диссертации исследований докладывались на 2о-й Международной конференции по физике полупроводников в Токио (2000 г.), на 14-й Международной конференции по электронным свойствам 2Д-систем в Праге (2001 г.), па VI Российской конференции по физике полупроводников в Санкт-Петербурге (2003 г.), а также на научных семинарах в ИФТТ РАН и MPI-FKF (Штуттгарт, Германия).

Личный, вклад автора в экспериментальные работы, выполненные в соавторстве, состоял в постановке задач, разработке методик, проведении экспериментов, обработке и интерпретации результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и слиска цитированной литературы. Общий объем диссертации составляет^Й» страниц, включая?/² рисунков.