Ekscyton w morzu dziur
Transkrypt
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 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