Ekscyton w morzu dziur

Ekscyton w morzu dziur
P. Kossacki, P. Płochocka, W. Maślana,
A. Golnik, C. Radzewicz and J.A. Gaj
Institute of Experimental Physics,
Warsaw University
S. Tatarenko, J. Cibert
Laboratoire de Spectrométrie Physique,
Université Joseph Fourier Grenoble I
Plan wystąpienia
• Wprowadzenie i motywacja
• Eksperyment
• Wyniki
– Wpływ nośników na absorpcję ekscytonową
– Wpływ populacji ekscytonów na absorpcję
ekscytonową
Wprowadzenie
CdTe
próbka - studnia kwantowa
pasmo
przewodnictwa
x
Energy
(Cd,Mg)Te
pasmo
przewodnictwa
pasmo
walencyjne
Z
pasmo
walencyjne
kx
Wprowadzenie
próbka - studnia kwantowa
transmisja
pasmo
przewodnictwa
źródło światła
elektron
hh
dziura
(heavy hole)
energia
Energy
absorpcja
e
pasmo
walencyjne
k
Wprowadzenie
próbka - studnia kwantowa
transmisja
pasmo
przewodnictwa
źródło światła
X
hh
Ekscyton
energia
Energy
absorpcja
e
pasmo
walencyjne
k
Wprowadzenie
próbka - studnia kwantowa
transmisja
pasmo
przewodnictwa
źródło światła
e
hh
X
X+
Naładowany
Ekscyton
energia
Energy
absorpcja
hh
pasmo
walencyjne
k
Motywacja
- Ile ekscytonów może się zmieścić w studni kwantowej ?
- Czy w stundi w której są nośniki zmieści się mniej ekscytonów ?
Bardziej uczone sformuowanie:
Badania oddziaywań ekscyton-ekscyton i nośnik - ekscyton
Jak to badać ?
Motywacja
- Ile ekscytonów może się zmieścić w studni kwantowej ?
- Czy w stundi w której są nośniki zmieści się mniej ekscytonów ?
Bardziej uczone sformuowanie:
Badania oddziaywań ekscyton-ekscyton i nośnik - ekscyton
Jak to badać ?
Domieszkowane heterostruktury
Transmission ( a.u. )
hole gas c
[
X
+
X
Motywacja
- Ile ekscytonów może się zmieścić w studni kwantowej ?
- Czy w stundi w której są nośniki zmieści się mniej ekscytonów ?
Bardziej uczone sformuowanie:
Badania oddziaywań ekscyton-ekscyton i nośnik - ekscyton
Jak to badać ?
-promień Bohra ekscytonu ~10nm
-stąd ~ 10 12 cm -2
-czas życia ekscytonu ~ 100 ps
-do wytworzenia 10 12 cm -2 ekscytonów potrzeba
10 22 s -1cm -2 fotonów czyli gęstość mocy
103 W cm-2
Jak mierzyć – konieczne impulsowe źródo świata
-1. Duża gęstość mocy, bez istotnego grzania próbki
-2. Dodatkowo: krótki impuls lasera, ma szerokie spektralnie widmo
La s e r
1 .2
< 40 fs
0 .8
1 .2
Inte ns ity [ a .u. ]
0 .4
0
Tra ns mis s ion
1 .0
0 .8
X+
X
0 .4
X+
0 .6
X
0 .4
substrate
0 .2
0
1550
0 .8
0
1620
1640
1660
E n e rg y [ m e V ]
1600
1650
E n e rg y [ m e V ]
1700
1680
Eksperyment
Š impulsowe, selektywne obsadzanie stanów ekscytonowych
kriostat
∆t = -4 ps
sygnał(∆τ )
próbka
∆τ
X
Intensity [ a.u. ]
ps impuls
pompujący
CCD
X+
spektrometr
fs impuls sondujący
-2 ps
0 ps
pobudzanie
rezonansowe
Transmision [arb.u.]
2.52 ps
1610
X+
1625
1630
X
1635 1640
Energy [ meV ]
koincedencja
opóźnienie
zero
1630
1640
Energy [meV]
1650
1650
widmo przed
„modyfikacją”
opóźnienia
ujemne
1620
1645
widmo po
„modyfikacji”
opóźnienia
1660
dodatnie
próbka
Rezonansowe pobudzanie X+
pompa
pompa
X+
pasmo
przewodnictwa
1.0
Transmission
X
0.9
X+
0.8
1633
before pump pulse
1635
1637
pasmo
walencyjne
X
1639
Energy ( meV )
1641
before pump pulse
Rezonansowe pobudzanie X+
wiecej nośników = wiecej „miejsca” dla ekscytonów neutralnych !
pasmo
przewodnictwa
Transmission
1.0
0.9
X+
0.8
1633
before pump pulse
after pump pulse
1635
1637
pasmo
walencyjne
X
1639
Energy ( meV )
1641
after pump pulse
Rezonansowe pobudzanie X+
polaryzacja kołowa swiatła pozwala wybrać spin nośników
•
X i X+ obecne w absorpcji
0.40
X+
X
p ≈3*1010 cm-2
0.38
X
0.36
Ekscytony neutralne „czują” jedynie
0.34
X X+ osc.str [meV]
pompa
cross
co
0.32
0.30
nośniki swobodne, i to o określonym
spinie – spinie przeciwnym, niż spin
0.12
X+
0.10
nośnika tworzonego światlem
0.08
0.06
•
•
•
-5
0
5
10
15
delay [ps]
20
25
30
przejście X+Ekranowanie
zablokowane => absorpcja
X rośnie od spinu !!
X zależy
koncentracja dziur się nie zmienia
+
Dziury
efekt
zależy odzwiązane
koncentracji X+w X przestają ekranować
!!
Oddziaływanie pomiedzy
ekscytonami:
Wpływ populacji
ekscytonowej na absorpcję
ekscytonową (p=const)
Mało nośników – ekscyton neutralny
• “pusta” studnia kwantowa inne zachowanie X
• rezonansowe pobudzanie X
X
X+
0.60
co
cross
0.55
maleje bez względu na spin
0.50
X osc. str.
Intensywność lini ekscytonowej
X
0.45
0.40
0.35
0.30
-2
0
2
4
6
8
delay [ps]
10
12
14
Badanie efektów spinowych – pole magnetyczne
– B ≠ 0 T, konfiguracja Faradaya
pole magnetyczne pozwala spolaryzować
spinowo nośniki:
w polaryzacji
σ+
nie widać
X+
• Magnes nadprzewodzący
pole do 8T
1.4K - 300K
X bez X+ - wybrane polaryzacją kołową detekcji (σ+)
• Transmisja różnicowa = Transmisja(τ=0,2,4ps)-Transmisja(-5ps)
Transmission
[arb.u]
impuls s ondują cy σ+
pompa
• co-polaryzacja:
Difference transmission
0.2
pompa σ+ / sonda σ+
0 ps
2 ps
4 ps
0.0
pompa σ- / sonda σ+
0.02
XX
e
0.00
X
1632
• cross-polaryzacja:
– małe przesunięcie energii X
– siła oscylatora X maleje i pojawia się XX
X
0.04
– energia X rośnie: blue shift
– siła oscylatora X maleje
1636
1640
Energy [meV]
1644
e
hh
XX
hh
X z X+
- wybrane polaryzacją kołową detekcji (σ -)
Transmission
[arb.u]
• Transmisja różnicowa = Transmisja(τ=0,2,4ps)-Transmisja(-5ps)
0.15
0.10
impuls sondujący
pompa
pompa σ /sonda σ
-
Difference transmission
• co-polaryzacja:
– energia X rośnie: blue shift
– siła oscylatora X maleje
-
0 ps
2 ps
4 ps
0.05
0.00
+
-0.05
0.10
-0.10
σ-
X
X
+
pompa σ /sonda σ
0.05
– małe przesunięcie energii X
– siła oscylatora X maleje i pojawia się XX
w obecności X+
-
XX
0.00
+
-0.05
X
1632
1636
• cross-polaryzacja:
X
1640
Energy [meV]
1644
Zależne od spinu oddziaływanie X-X
X
X
• polaryzacje zgodne:
wypełnianie przestrzeni fazowej
(Phase Space Filling)
– energia X rośnie: blue shift
– siła oscylatora X maleje
X
X
• polaryzacje przeciwne:
– małe przesunięcie energii X:
oddziaływanie przyciągające
– siła oscylatora X maleje na korzyść XX
Dynamika stanów ekscytonowych
- rezonansowe pobudzanie X
•
pompa
X i X+ obecne w absorpcji
X+
0.36
cross
co
0.34
•
X X+ osc.str [meV]
0.32
X
0.30
X+
σ+
X+
pusty kryształ
0.10
•
0.08
-5
•
efekt w co-polaryzacji opóźniony przez
tworzenie X+
X
0.28
0.12
X
0
5
10
15
delay [ps]
20
25
30
czas narastania natężenia X w
co-polaryzacji opisuje czas tworzenia X+
efekt dla X w co- polaryzacji zależy od zmieniającej się w czasie
koncentracji X+!
Podsumowanie
• Najsilniejsze efekty pochodzą od gazu dziurowego
– ekranowanie X przez dziury
– ekranowanie jest zależne od spinu
– dziury związane w X+ nie ekranują!
• Słabsze efekty: oddziaływanie X-X,
(obserwowalne przy stałej koncentracji dziur)
– PSF (co-polaryzacja)
=
kradzież natężenia X przez XX (cross-polaryzacja)
– przesunięcie linii X, silniejsze w co-polaryzacji,
niż w cross-polaryzacji