КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-72-20163

НазваниеКогерентность и релаксация оптически возбуждаемых состояний кулоновских центров в полупроводниках

РуководительШастин Валерий Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук", Нижегородская обл

Годы выполнения при поддержке РНФ 2019 - 2022 

КонкурсКонкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Объект инфраструктуры Комплекс уникальных научных установок и центров коллективного пользования ИЯФ СО РАН для проведения исследований и разработок с использованием пучков заряженных и нейтральных частиц, высокотемпературной плазмы, синхротронного и терагерцового излучения

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-202 - Полупроводники

Ключевые словадонор, германий, акустические фононы, накачка-зондирование, осцилляции Рамсея, фотонное эхо, время жизни, одноосная деформация, молекулярно-лучевая эпитаксия

Код ГРНТИ29.19.31


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Исследование возможности создания принципиально новых полупроводниковых устройств, в основе которых лежат квантовые оптически управляемые когерентные состояния, является критически важным для дальнейшего развития квантовых технологий. Большое внимание уделяется кулоновским центрам легирования (обычно донорам) в таких наиболее изученных полупроводниках как кремний и германий. В основном речь идет о разработке элементов квантовых информационных систем, таких как спиновые кубиты и устройства считывания и записи информации, использующие орбитальные состояния кулоновских центров, в том числе и возбужденные. Самостоятельный интерес вызывают также исследования квантовых затворов, одноатомных транзисторов, механизмов управления одних центров легирования (например, доноров) другими через возбужденные состояния Ридберга (дипольная блокада ридберговских центров), эффектов когерентного излучения на внутрицентровых переходах. Во многих случаях искомый результат зависит от времен жизни населенности T1 и времен распада когерентности T2 (декогеренции) рассматриваемых орбитальных состояний, и для положительного результата обычно требуется, чтобы эти времена были достаточно большими. Следует отметить, что больший радиус состояний кулоновских центров и меньший темп релаксации этих состояний при использовании таких схем на основе архитектуры Кейна дают преимущество германию. В настоящее время исследованию кинетики низкотемпературной релаксации возбужденных состояний доноров в кремнии и германии уделяется большое внимание. Важным шагом в таком направлении стало измерение времен жизни и декогеренции 2p0 и 2p± состояний доноров фосфора в кремнии с энергией связи этого центра ~ 45,6 мэВ. В этих работах в дополнении к методу пробного импульса (метод накачка-зондирование, pump-probe technique), который применяется для измерения времен жизни населенности T1, были использованы методики фотонного эха и осцилляций Рамсея (Ramsey fringes), которые позволили дать экспериментальную оценку (~160 пс) длительности когерентного состояния донора T2, что в пределах точности измерений совпало с T1. Отметим, что все измерения выполнялись на импульсном (длительность импульса ~10 пс) лазере на свободных электронах (FELIX, Голландия) в диапазоне частот излучения 8,2 ТГц (34,1 мэВ) и 9,5 ТГц (39,2 мэВ) соответствующих переходам в отмеченные выше состояния из основного состояния 1s(A1). Целью данного проекта является проведение измерений времен жизни и декогеренции 2p0 и 2p± состояний в германии. Такие измерения будут сделаны на базе лазера на свободных электронах (NovoFEL) в Новосибирске, ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН (объект инфраструктуры - Комплекс уникальных научных установок и центров коллективного пользования ИЯФ СО РАН для проведения исследований и разработок с использованием пучков заряженных и нейтральных частиц, высокотемпературной плазмы, синхротронного и терагерцового излучения). Планируется сопроводить низкотемпературные измерения времен релаксации с использованием излучения NovoFEL теоретическими расчетами темпов релаксации указанных состояний на внутридолинных и междолинных переходах с излучением фононов. Будут рассмотрены и другие количественные параметры (включая неоднородное уширение электронных состояний и длительность импульсов излучения NovoFEL, которая близка к 100 пс), определяющие возможность наблюдения и особенности развития осцилляций Рамсея и фотонного эха. Из предварительных теоретических оценок следует, что времена релаксации населенности рассматриваемых состояний в германии в разы превышают таковые для кремния, что связано с отличиями состояний доноров из-за различной структуры зоны проводимости обоих полупроводников. Первые обнадеживающие результаты были получены для Ge:Sb в ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН на установке по измерению времен релаксации методом «pump-probe», которая была создана при активном участии авторов проекта. Измеренное время релаксации Т1 состояния 2p± в германии с примесью Sb составила ~2 нс. В текущем проекте станция будет преобразована с учетом измерения осцилляций Рамсея и фотонного эха. Такая модификация значительно расширит возможности установки и спектр решаемых на ней задач. Различие между энергетическими спектрами мелких доноров в германии состоит в положении энергии основного уровня (10.45, 12.88 и 14.18 мэВ для Sb, P и As, соответственно), в то время как группа возбужденных состояний практически идентична. Для двойных доноров (Te, Se) энергия залегания основных состояний еще больше (93 и 268 мэВ соответственно) при сравнимых энергиях возбужденных состояний. Это ведет к различию в скоростях релаксации как на количественном, так и на качественном уровне, включающем изменение механизмов релаксации с участием акустических фононов, в том числе междолинных. Очевидно, что необходимо различать потерю когерентности состояний (время T2), связанную с неоднородным уширением энергии этих состояний в ансамбле доноров и ту, которая отражает поведение одиночного центра. В первом случае время когерентности может быть заметно короче второй и позволяет обратить фазы осцилляторов при оптическом возбуждении ансамбля доноров “π” импульсом в эффекте фотонного эха. Поэтому измерения будут проводиться с использованием трех оптических методов в диапазоне длин волн 90–220 мкм (14–5 мэВ). Методом пробного импульса будут получены экспериментальные данные по временам жизни населенности отмеченных 2p состояний, а измерения времен когерентности, связанные с неоднородным уширением спектра энергий состояний донора, будут получены методами интерференции Рамсея и фотонного эха. Будет рассмотрено также влияние одноосной деформации сжатия кристалла на времена Т1 и Т2 доноров в германии. Все необходимые измерения спектров состояний доноров будут выполнены методом Фурье-спектроскопии поглощения и фотопроводимости. Так как для последующей интеграции к кремний-германиевую технологию необходим переход к планарным структурам, то экспериментальная часть предполагает исследование эпитаксиальных легированных слоев, в том числе, выращенных на виртуальных подложках для создания внутренних напряжений. Имеющийся научный задел участников проекта по теоретическим и экспериментальным исследованиям релаксационных механизмов в полупроводниках, а также опыт работы с использованием излучения целого ряда лазеров на свободных электронах (FELBE (Германия), FELIX (Нидерланды), NovoFEL (Россия)) позволят реализовать планы проекта и получить новые научные результаты, соответствующие мировому уровню.

Ожидаемые результаты
В ходе проекта планируется показать возможность реализации когерентных оптически управляемых состояний мелких доноров в кристаллическом германии, исследовать условия и время их существования, а также способы считывания квантового состояния донорного центра. Это позволит выявить возможность использования кристаллического германия или германиевых структур для создания новых, активно разрабатываемых в настоящее время, устройств, в основе которых лежат квантовые оптически управляемые когерентные состояния кулоновских центров. С другой стороны полученные результаты также важны для понимания возможности реализации в такой системе инвертированных распределений носителей заряда при внутрицентровом оптическом возбуждении или возможности реализации Рамановского механизма излучения, что может привести к созданию компактного источника стимулированного излучения. Если говорить о конкретных научных результатах, то их можно сформулировать следующим образом: 1.Будут получены теоретические оценки времен релаксации возбужденных состояний доноров при различных величинах одноосной деформации кристалла в кристаллографическом направлении [111]. 2. Методом накачка-зондирование будут получены времена жизни возбужденных состояний в донорах германия, в том числе, для случая одноосной деформации вдоль кристаллографического направления [111]. 3. Будет рассчитана величина возбуждаемой поляризации среды, обусловленной когерентными состояниями примесных атомов и фазовым соотношением их осциллирующих дипольных моментов, и дана теоретическая оценка времени распада когерентных состояний в системе с учетом реального неоднородного уширения примесных линий в рассматриваемой среде. 4. Будут получены осцилляции Рамсея и показана возможность электрического считывания когерентного состояния примесных атомов. Будет дана оценка длительности процесса декогеренции (Т2) при накачке в 2р0 и 2р± состояния для доноров в германии и эпитаксиальных пленках германия, выращенных на виртуальных подложках. 5. Будет построена количественная теория процесса потери когерентности в исследуемой системе мелких доноров при конечных температурах и заданных интенсивностях. Будет дана теоретическая оценка длительности процесса когерентности Т2 при накачке в состояния 2р0 и 2р±. 6. Будет показана возможность оптического считывания когерентного состояния примесных атомов и экспериментальная оценка длительности процесса декогеренции (Т2) при накачке в состояния 2р0 и 2р± для доноров в германии. Будет проведено сравнение результатов, полученных разными методами (фотонного эха и осцилляций Рамсея). Ожидаемые результаты соответствуют мировому уровню и будут получены впервые.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В теоретической части проекта в рамках метода эффективных масс произведено вычисление огибающей волновой функции для основного состояния мелких доноров (P, Sb, As) в кристалле германия с учетом короткодействующего потенциала центральной ячейки. Примесный потенциал при этом был выбран в виде суммы трех слагаемых: водородоподобного потенциала, экранированного статической длинноволновой диэлектрической проницаемостью (дальнодействующее слагаемое), и двух короткодействующих, имеющих структуру потенциала Юкавы (экранированного в коротковолновом пределе кулоновского потенциала). Волновая функция основного состояния искалась в виде линейной комбинации двух функций основного состояния, введенных Коном и Латтинджером, и имеет четыре вариационных параметра. Два из них соответствуют масштабу локализации каждого слагаемого в потенциальной энергии, один задает соотношение между вкладами каждого слагаемого и еще один характеризует отклик на анизотропию спектра. Показано, что учет короткодействующей части приводит к возникновению локализованного вблизи примесного центра вклада в волновую функцию. Такая поправка к огибающей функции основного состояния получена впервые. Возникающая за счет короткодействующей части потенциала модификация волновой функции существенна в процессах, где волновой вектор электрона меняется на величину порядка размера зоны Бриллюэна. Произведено вычисление темпов релаксации возбужденных состояний мелких доноров сурьмы в зависимости от одноосной деформации сжатия кристалла в кристаллографическом направлении [111] при излучении акустических фононов. При этом для расчета использовались известные в литературе пробные волновые функции состояний мелких доноров. Показано, что одноосная деформация приводит к изменению темпов различных переходов между состояниями донора, но слабо влияет на общий темп релаксации состояний из-за равного по величине, но противоположенного по знаку, изменения вкладов в общий темп релаксации темпов различных переходов из рассматриваемого состояния. Эти результаты опубликованы в работе [1, 2]. Так же были произведены расчеты поправок к рассчитанным темпам при использовании в качестве волновой функции основного состояния вычисленной в ходе данного проекта более сложной функции, учитывающей влияние потенциала центральной ячейки. Показано, что учет короткодействующего потенциала приводит к увеличению скорости распада возбужденных 1s состояний приблизительно на 15–30 % в зависимости от величины приложенного давления. Скорость релаксации более высоковозбужденных состояний при этом практически не изменяется. Для доноров мышьяка также произведены вычисления поправок к релаксационным темпам за счет учета в волновой функции основного состояния потенциала центральной ячейки. Скорость распада возбужденных 1s состояний в Ge:As при этом увеличивается приблизительно на 50 %. Основным результатом теоретической части работ 2019 г. является получение волновой функции основного состояния для доноров фосфора, сурьмы и мышьяка в германии, учитывающей особенности короткодействующего потенциала для этих примесей. Другой важной частью является вычисление зависимостей от одноосной деформации сжатия в направлении [111] скоростей распада возбужденных состояний доноров сурьмы и мышьяка в германии при спонтанном излучении длинноволновых акустических фононов. Экспериментальная часть проекта была посвящена измерению времен релаксации возбужденных состояний мелких донорных центров в германии при наличии и отсутствии одноосной деформации сжатия кристалла вдоль направления [111]. Исследуемые образцы были вырезаны из слитков монокристаллического германия, легированного мелкими донорами пятой группы – мышьяком и сурьмой. Слитки были выращены методом Чохральского с концентрацией (5-8)×10^14 см-3 и пренебрежимо малой компенсацией (~ 10^12 см-3). Характерные размеры образцов составляли порядка 2×5×7 мм^3,причем широкие грани полировались и имели отклонение от параллельности 1-2 градуса, чтобы избежать интерференции. Для проведения экспериментов в условиях одноосной деформации использованы специальные модули, в которых фиксировались исследуемые образцы. Для измерения спектров поглощения был использован Фурье-спектрометр с разрешением до 0.1см-1 (Bruker VERTEX 80v). Измерения были сделаны в диапазоне дальнего ИК диапазона, что соответствует переходам из основного в возбужденные нечетные локализованные состояния донора и континуум зоны проводимости. Образцы помещались в оптический проточный криостат, имеющий совмещение со спектрометром. Для экспериментов по измерению времен релаксации были выбраны несколько образцов, включая Ge:As и Ge:Sb без деформации, а также деформированные образцы, приготовленные из указанных материалов, с величиной приложенного давления 0.3, 1.2 и 2 кбар для случая легирования мышьяком, и > 400 бар для образцов, легированых донорами сурьмы. Характерная ширина линии поглощения при указанных концентрациях составляла около 0.1 мэВ. Экспериментальное исследование времен жизни состояний доноров пятой группы в германии было проведено методом пробного импульса (pump-probe technique) на импульсном лазере на свободных электронах NovoFEL в Новосибирске. Пучок излучения ЛСЭ делился на две части таким образом, чтобы основная мощность подавалась в канал накачки, а меньшая (как правило, на порядок меньше) в канал зондирования. Методом “pump-probe” с использованием излучения лазера на свободных электронах получены данные о временах релаксации возбужденных состояний доноров сурьмы в германии (2р0 и 3р0) , при криогенных температурах (4-12 К). В отсутствии одноосного сжатия образцов характерное время релаксации уровня 2р0 оценивается на уровне 0.8–1 нс. В деформированных образцах было измерено время релаксации состояния 3р0, длительность характерного “pump-probe” отклика при этом составляет порядка 2 нс. Такие же измерения проведены для доноров мышьяка в кристалле германия. В случае недеформированного германия, легированного мышьяком были получены сигналы "pump-probe" для различных оптически возбуждаемых состояний. В случае недеформированного германия, легированного мышьяком были получены сигналы "pump-probe" для различных оптически возбуждаемых состояний. Показано, что для состояний 2p0 и 2p± времена откликов "pump-probe" сигналов составляют 0.8 и 1.4 нс. Первое значение можно отнести ко времени релаксации состояния 2p0. Предполагая наличие каскадного характера релаксации состояния 2p± через 2p± → 3p0 → 2s → 2p0 можно определить суммарное время такого процесса как 0.6 нс. Выяснилось, что более высоколежащий уровень 3p± демонстрирует время отклика 0.6 нс, что говорит о наличии параллельного канала релаксации. Получена экспериментальная оценка времени релаксации первого возбужденного уровня донора 1s(T2) – не более 160 пс. Точность оценки последнего ограничено длительностью импульса возбуждения. Данные измерения позволяют утвердительно заключить о возможности создания инверсии усиления ТГц излучения на длинах волн 150 и 240 мкм, что соответствует переходам 2p± → 1s(T2) и 2p0 → 1s(T2). В случае одноосной деформации вдоль направления [111] для Ge:As были измерены времена релаксации 2р0, 3р0 и 2p±. При величине приложенного давления порядка 2 кбар время длительности сигнала "pump-probe" составило при возбуждении состояния 2р0 порядка 1.3 нс, 3р0 – 1.4 нс, 2p± - 0.5 нс. Сравнение полученных экспериментальных данных с теоретическим расчетом времен релаксации состояний доноров говорит об их хорошем согласии, хотя анализ будет продолжен. Результаты по измерениям методом “pump-probe” времен релаксации состояний доноров мышьяка в германии представлены в работах [3,4]. 1. В.В. Цыпленков, В.Н. Шастин, Внутрицентровая релаксация мелких доноров сурьмы в деформированном германии, Физика и техника полупроводников, 53, с. 1372 (2019) 2. Цыпленков В.В., Шастин В.Н., Тезисы доклада на XIV Российской конференции по физике полупроводников, г. Новосибирск, 9-13 сентября 2019, стр. 66 (2019) 3. Жукавин Р.Х., Ковалевский К.А., Чопорова Ю.Ю., Герасимов В.В., Цыпленков В.В., Князев Б.А., Павлов С.Г., Абросимов Н.В., Хьюберс Г.-В., Шастин Н.В., Relaxation Times of Arsenic Excited Donor States in Germanium, IEEE (2019 г.) 4. Р.Х.Жукавин, К.А.Ковалевский, Ю.Ю.Чопорова, В.В.Цыпленков, В.В. Герасимов, П.А.Бушуйкин, Б.А.Князев, Н.В.Абросимов, С. Г.Павлов, Г.-В.Хьюберс, В.Н.Шастин (R.Kh. Zhukavin, K.A. Kovalevsky, Yu.Yu. Choporova, V.V. Tsyplenkov, V.V. Gerasimov, P.A. Bushuykin, B.A. Knyazev, N.V. Abrosimov, S.G. Pavlov, H.V. Hübers, V.N. Shastin) Времена релаксации и инверсия населенностей возбужденных состояний доноров As в германии, Письма в ЖЭТФ, 110, с. 677 (2019)

 

Публикации

1. В.В. Цыпленков, В.Н. Шастин Внутрицентровая релаксация мелких доноров сурьмы в деформированном германии Физика и техника полупроводников, том 53, вып. 10, c.1372 (год публикации - 2019).

2. Жукавин Р.Х., Ковалевский К.А., Чопорова Ю.Ю., Герасимов В.В., Цыпленков В.В., Князев Б.А., Павлов С.Г., Абросимов Н.В., Хьюберс Г.-В., Шастин Н.В. Relaxation Times of Arsenic Excited Donor States in Germanium IEEE, International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, IRMMW-THz 2019-September,8873886 (год публикации - 2019).

3. Р.Х.Жукавин, К.А.Ковалевский, Ю.Ю.Чопорова, В.В.Цыпленков, В.В. Герасимов, П.А.Бушуйкин, Б.А.Князев, Н.В.Абросимов, С. Г.Павлов, Г.-В.Хьюберс, В.Н.Шастин Времена релаксации и инверсия населенностей возбужденных состояний доноров As в германии Письма в ЖЭТФ, том 110, вып. 10, с. 677 – 682 (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках приближения огибающей функции рассчитаны волновые функции состояний 1s(A1), 1s(T2), 2s, 2p0, 2p±, 3p0 мелких донорных центров P, As, Sb в германии с учетом короткодействующего потенциала примеси. Последний построен индивидуально для каждой примеси с учетом пространственной дисперсии диэлектрической проницаемости и различия между ионными остовами германия и примесного центра. Уравнение для огибающей решалось с использованием вариационного метода Ритца, при этом выбранные пробные функции орбитально невырожденных s-состояний характеризуются двумя пространственными масштабами: первый порядка эффективного боровского радиуса донора, отвечающий дальнодействующей части потенциала, и второй, на порядок меньший, моделирующий отклик электрона на короткодействующую часть потенциала донора. Электронная плотность в основном состоянии доноров смещается к ядру, что обусловлено учетом притягивающего потенциала «центральной ячейки». Огибающие функции p-состояний, в свою очередь, построены так, что являются ортогональными огибающим в основном состоянии для каждого примесного центра, и в отличие от предыдущих работ различны для разных доноров. Результаты расчетов приведены в работе [1]. Численно смоделирован эксперимент по наблюдению интерференции Рамсея при когерентном оптическом возбуждении состояний доноров в германии импульсами ЛСЭ. Теоретически рассмотрена динамика образования и распада когерентных состояний мелких примесных центров в кристалле германия, возбуждаемых парой лазерных импульсов, следующих друг за другом с некоторой задержкой и сдвинутых по фазе друг относительно друга, с частотой близкой к частоте внутрицентрового перехода при учете неоднородного уширения примесных линий. Даны оценки условий, необходимых для экспериментального наблюдения эффекта. Результаты приведены в работе [2]. Были подготовлены образцы германия легированного мышьяком и проведены их спектральные исследования методом фото-термоионизационной спектроскопии (PTIS) с целью выбора оптимальных образцов для последующих измерений осцилляций Рамсея с использованием излучения лазера на свободных электронах NovoFEL. Концентрация доноров в исследованных образцах составляла 10^13 см^-3, 5x10^13 см^-3, при этом минимальная ширина линии поглощения в образцах, соответствующая переходу в состояние 2р0 ,не превышала 0.15 см^-1. Для обнаружения осцилляций Рамсея на ЛСЭ NovoFEL проведены измерения отклика проводимости образца Ge:As при импульсном резонансном возбуждении состояния 2р0 когерентными импульсами на частоте (131,3 мкм, 76 см^-1). Вызванное излучением падение напряжения на образце было записано как функция оптической задержки между двумя когерентными импульсами, обладающими одинаковой поляризацией в схеме интерферометра Майкельсона. В результате были получены осцилляции фотопроводимости (напряжения) для задержек, превышающих длительность импульса (область автокорреляции). Полученные данные указывают на эффект Рамсея, который возникает благодаря когерентному взаимодействию второго (задержанного) терагерцового импульса с когерентным колебанием поляризации среды, возбуждаемой первым импульсом. Данный эффект пропадал при отстройке от резонанса (128 мкм ,78 см^-1), что подтверждает данную интерпретацию. Измеренное время экспоненциального спада сигнала осцилляций, интерпретируемое как время поперечной релаксации T2, составляет ~ 80 пс. Осцилляции Рамсея в германии, легированном мелкими донорами V группы, при регистрации фототока получены впервые. [1] А.А. Ревин, А.М. Михайлова, А.А. Конаков, В.Н. Шастин «Электронные состояния доноров V группы в германии: вариационный расчет с учетом короткодействующего потенциала» // Физика и техника полупроводников, Т. 54, № 9, С. 938–944 (2020) [2] В.В. Цыпленков, В.Н. Шастин, О возможности интерференции Рамсея в германии, легированном мелкими примесями, ФТП, 2020, том 54, вып. 8, с. 807

 

Публикации

1. - Ученые ИЯФ СО РАН и ИФМ РАН исследовали поведение электронов мышьяка в полупроводнике под действием терагерцового излучения Научная Россия, - (год публикации - ).

2. А.А. Ревин, А.М. Михайлова, А.А. Конаков, В.Н. Шастин Электронные состояния доноров V группы в германии: вариационныйрасчет с учетом короткодействующего потенциала Физика и техника полупроводников, том 54, вып. 9, 938 (год публикации - 2020).

3. Жукавин Р.Х., Ковалевский К.А., Чопорова Ю.Ю., Цыпленков В.В., Павлов С.Г., Абросимов Н.В., Бушуйкин П.А., Дессман Н., Князев Б.А., Хьюберс Х.-В., Шастин В.Н. The relaxation times of donor bound electrons in germanium AIP Conference Proceedings, AIP Conference Proceedings 2299, 030006 (2020) (год публикации - 2020).

4. К.А. Ковалевский, Ю.Ю. Чопорова, Р.Х. Жукавин, Н.В. Абросимов, С.Г. Павлов, H.-W. H ̈ubers, В.В. Цыпленков, В.Д. Кукотенко, Б.А. Князев, В.Н. Шастин Релаксация возбужденных состояний мышьякав деформированном германии Физика и техника полупроводников, том 54, вып. 10, стр. 1145 (год публикации - 2020).

5. Цыпленков В.В., Шастин В.Н. О возможности интерференции Рамсея в германии, легированном мелкими примесями Физика и техника полупроводников, ФТП, том 54, вып. 8, стр. 807 (2020) (год публикации - 2020).


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках приближения огибающей функции рассчитаны волновые функции низколежащих 1s(A1), 1s(T2) состояний донорных центров Te0, Te+ , а также 2s(A1), 2s(T2), 2p0, 2p±, 3p0 состояний двухзарядного донора Te0 в германии с учетом короткодействующего потенциала примеси. Последний построен индивидуально для каждой примеси. Решение двухчастичной задачи в случае донора Te0 сведено к одночастичной задаче. Одночастичное уравнение для огибающей решалось с использованием вариационного метода Ритца, при этом выбранные пробные функции орбитально невырожденных s-состояний характеризуются двумя пространственными масштабами. Огибающие функции p-состояний, в свою очередь, построены так, что являются ортогональными огибающим в основном состоянии для каждого примесного центра, и в отличие от предыдущих работ различны для разных доноров. В нашей работе [3] описан подход к решению одночастичных задач с учетом междолинного взаимодействия, который модифицируется с применением процедуры расчета методом Хартри-Фока для многозарядных центров. На основе вычисленных волновых функциях, даны оценки скорости релаксации возбужденных 2р (порядка 5×10^9 c^-1) состояний донора теллура, определяющих время когерентности в системе при возбуждении резонансным оптическим излучением. Также в теоретической части проведено моделирование динамики населенностей двухуровневого атома (донора) при его оптическом возбуждении последовательностью двух оптических импульсов при учете поперечного и продольного времен релаксации, а также неоднородного уширения примесной линии перехода. В экспериментальной части были проведены исследования германия легированного мелкими донорами пятой группы. При проведении измерений основное внимание было уделено донорам мышьяка, что связано с тем, что другие доноры (сурьма и фосфор) не продемонстрировали осцилляций Рамсея. Данное обстоятельство связано с наличием у мышьяка самого большого химического сдвига среди доноров пятой группы и наименьшей населенности возбужденных состояний, что приводит во-первых, к наименьшему паразитному сигналу автокорреляции, не связанному с резонансным возбуждением, и во-вторых, к наименьшему эффекту срыва когерентности возбужденных диполей при индуцированных процессах взаимодействия с фононами. Для обнаружения осцилляций Рамсея на ЛСЭ NovoFEL проведены измерения отклика проводимости образца Ge:As при импульсном резонансном возбуждении состояний 2р0 и 2р± когерентными импульсами. В случае 2р± использовался переход 1s(T2) - 2р± (энергия кванта около 8.2 мэВ) при конечной населенности состояния 1s(T2). Существующее временное разрешение (длительность импульса излучения порядка 100 пс) не позволило выделить осцилляции Рамсея для такого случая возбуждения, что связывается с наличием относительно малых энергетических зазоров между состоянием 2р± и ближайшими состояниями. Выраженный эффект был получено в случае возбуждения диполей на переходе 1s(A1)-2р0, что связано с относительно большой энергией связи состояния 2р0 (4.74 мэВ). Вызванное излучением падение напряжения на образце было записано как функция оптической задержки между двумя когерентными импульсами, обладающими одинаковой поляризацией в схеме интерферометра Майкельсона. В результате были получены осцилляции фотопроводимости (напряжения) для задержек, превышающих длительность импульса (область автокорреляции). В случае слаболегированного образца осцилляции Рамсея регистрировались для задержек, превышающих 300 пс, что было зафиксировано путем измерения спектра сигнала в различных временных областях. В случае более легированного образца влияние когерентной составляющей на форму общего сигнала (включая сигнал автокорреляции) был более заметным, позволяя визуально разделять вклад осцилляций Рамсея. Характерное время спадания сигнала составляло порядка 100 пс, что можно было измерить по спаду огибающей, а также по зависимости амплитуды спектральной линии от величины задержки между импульсами. Эффект, связанный с увеличением длительности сигнала и/или искажением относительно сигнала автокорреляции пропадает при отстройке от примесного перехода. Таким образом, можно с уверенностью заключить о возможности наблюдений осцилляций Рамсея в германии, легированном донорами при резонансном возбуждении терагерцовыми импульсами. Опубликованные в 2021 г работы: 1. В.В. Цыпленков, В.Н. Шастин (V.V. Tsyplenkov, V.N. Shastin) Междолинные процессы релаксации состояний мелких доноров в германии, ФТП, 55, 807 (2021) 2. Р.Х. Жукавин (R.Kh. Zhukavin), Терагерцовое стимулированное излучение при оптическом резонансном возбуждении германия, легированного мелкими донорами, ФТП, 55 ,729 (2021) 3. Ревин А.А., Михайлова А.М., Конаков А.А., Цыпленков В.В., Шастин В.Н. (A.A. Revin, A.M. Mikhaylova, A.A. Konakov, V.V. Tsyplenkov, V.N. Shastin) Долинно-орбитальное взаимодействие в германии, легированном донорами V группы: количественный анализ ФТИ им. А.Ф.Иоффе. (2021)

 

Публикации

1. В.В. Цыпленков, В.Н. Шастин Междолинные процессы релаксации состояний мелких доноров в германии ФТИ им. А.Ф.Иоффе., Физика и техника полупроводников, 2021, том 55, вып. 9, c. 807 (год публикации - 2021).

2. Р.Х. Жукавин Терагерцовое стимулированное излучение при оптическом резонансном возбуждении германия, легированного мелкими донорами ФТИ им. А.Ф.Иоффе, Физика и техника полупроводников, том 55, вып. 9, 729 (год публикации - 2021).

3. Ревин А.А., Михайлова А.М., Конаков А.А., Цыпленков В.В., Шастин В.Н. Долинно-орбитальное взаимодействие в германии, легированном донорами V группы: количественный анализ ФТИ им. А.Ф.Иоффе., Физика и техника полупроводников,том 55, вып. 10, 901 (год публикации - 2021).