- ОПТИЧЕСКАЯ ОРИЕНТАЦИЯ
- ОПТИЧЕСКАЯ ОРИЕНТАЦИЯ
-
1) парамагнитных атомов — упорядочение с помощью анизотропного оптического излучения направлений механич. моментов и связанных с ними магн. моментов парамагн. атомов газа. Открыта франц. физиком А. Кастлером в 1953. О. о. явл. частным случаем оптической накачки — перевода в-ва в энергетически неравновесное состояние в процессах поглощения им света. Различают собственно О. о., при к-рой ат. газ приобретает не равный нулю макроскопический магн. момент, и в ы с т р а и в а н и е, характеризующееся появлением анизотропного распределения магн. моментов атомов при сохранении нулевого макроскопического магн. момента газа.Собственно ориентация достигается при резонансном поглощении или рассеянии атомами циркулярно поляризованного света. Процесс ориентации в простейшем случае можно рассматривать как следствие сохранения момента кол-ва движения (спина) в системе фотон — атом. Поляризованный по правому (левому) кругу фотон (см. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА) обладает проекцией механич. момента кол-ва движения, равной +h (-h), и при поглощении атомом фотона последний передаёт ему этот момент. В газе парамагн. атомов это приводит к преимуществ. ориентации механич. моментов эл-нов и, следовательно, магн. моментов атомов (см. МАГНЕТОН).Выстраивание осуществляется неполяризованным или линейно поляризованным излучением, для к-рого проекция спина фотона может с равной вероятностью быть равной +h и -h. Парамагн. атомы, поглотившие такие фотоны, окажутся выстроенными параллельно и антипараллельно лучу света, т. е. появится анизотропия в распределении направлений магн. моментов при нулевом макроскопическом магн. моменте.О. о. регистрируется по изменению поглощения газом ориентирующего света (по мере ориентации поглощение, как правило, уменьшается, (см. ПРОСВЕТЛЕНИЯ ЭФФЕКТ)), а также по возникающей оптической анизотропии (дихроизму, двойному лучепреломлению, вращению плоскости поляризации). Непосредственно О. о. осуществлена с парами металлов первых трёх групп элементов таблицы Менделеева, а также с атомами инертных газов в мета-стабильных состояниях и нек-рыми ионами. Нек-рые парамагн. атомы, особенности электронного строения к-рых исключают их прямую О. о., могут ориентироваться косвенно — при соударениях с другими, уже ориентированными атомами (спиновый обмен). Возможна также О. о. носителей зарядов в ПП и примесных парамагн. центров в кристаллах. Воздействие «внутреннего» магн. поля ориентированных электронных оболочек может приводить к ориентации магн. моментов ядер атомов (см. ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ЯДРА), к-рая сохраняется значительно дольше, чем электронная ориентация атомов. В связи с этим ядерную О. о. используют для создания квантовых гироскопов. Ориентированные атомы применяют для изучения слабых меж-ат. вз-ствий и вз-ствий эл.-магн. полей с атомами. Квантовые магнитометры с О. о. (обычно электронной) позволяют регистрировать крайне малые (=10-8 Э) изменения напряжённости магн. поля в диапазоне от нуля до неск. сотен Э.2) О. о. спинов эл-нов проводимости в полупроводниках — возникновение преимущественного направления у спинов эл-нов при освещении полупроводника циркулярно поляризованным светом. При правой поляризации света (по часовой стрелке) спины ориентируются в направлении, противоположном световому лучу, при левой поляризации — вдоль него. О. о. обнаружена франц. физиком Ж. Лампелем и англ. физиком Р. Р. Парсонсом (1968—69) и теоретически объяснена М. И. Дьяконовым и В. И. Перелем (1971). При генерации носителей циркулярно поляризованным светом в результате спин-орбитального взаимодействия момент импульса фотона передаётся системе электрон — дырка.Мерой О. о. явл. разность концентрации эл-нов (дырок) со спинами, направленными вдоль луча и навстречу ему, отнесённая к их полной концентрации. После выключения света эта величина убывает в результате рекомбинации неравновесных носителей и спиновой релаксации внутри каждой зоны (дырки обычно релаксируют быстрее, чем эл-ны). О. о. может быть зарегистрирована по поляризации ре-комбинационного излучения. Вз-ствие эл-нов с ат. ядрами в условиях О. о. приводит к появлению яд. намагниченности. Т. к. время жизни ориентированных ядер на много порядков превышает аналогичное время для эл-нов, то легче наблюдать яд. намагниченность (методом ядерного магн. резонанса), чем намагниченность неравновесного электронного газа. Магн. поле, перпендикулярное световому лучу, разрушает О. о. (э ф ф е к т X а н л е). Метод О. о. используется для изучения зонной структуры ПП, времён жизни носителей, механизмов рекомбинации и спиновой релаксации.3) О. о. ядер — см. в ст. (см. ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ЯДРА).
Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.
- ОПТИЧЕСКАЯ ОРИЕНТАЦИЯ
-
в полупроводниках- возникновение преимуществ. направления спинов генерируемых носителейзарядов и взаимодействующих с ними ядерных спинов при освещении полупроводникациркулярно поляризов. светом. При правой поляризации спины ориентируютсяпротивоположно световому лучу, при левой - вдоль него. О. о. впервые обнаруженаЖ. Лампелем (J. Lampel, 1968), теория создана В. И. Перелем и М. И. Дьяконовым(1971). О. о. обусловлена передачей угл. момента цпр-кулярно поляризов. <фотонов носителям заряда и ядрам. Спиновая ориентация носителей возникаетв результате спин-орбитального взаимодействия. Ядерные спины ориентируютсяза счёт сверхтонкого взаимодействия о фотовозбуждёнными ориентиров. электронами(см. Оверхацзера эффект). Кристаллич. анизотропия и коллективныйхарактер взаимодействия электронных и ядерных спинов определяют существенноеотличие О. о. в полупроводниках от оптической ориентации парамагн. <атомов газа.
Рис. 1. Схема оптических переходов поддействием правоциркулярно поляризованного
, света в кристаллах AIIIBV; указаны проекции спинана ось г.
Наиб. полно исследована О. о. спинов вSi и соединениях группы AIIIBV. На рис. 1 показанасхема уровней у дна зоны проводимости
и потолка валентных подзон
для кристаллов AIIIBV. Зоны
и
образованывырожденными s-u р -атомными состояниями, к-рым соответствуютвеличины спина S =1/2, S =3/2, и S =1/2 (в единицах
).Каждый подуровень характеризуется проекцией спина на ось квантования, вкачестве к-рой выбирается направление светового луча (ось z, рис.2).
Отношение интенсивностей переходов -3/2-1/2, и -1/2 +1/2,проходящих при поглощении правополяризованных
" фотонов с энергией
удовлетворяющее условию
(
- шириназапрещённой зоны,
- величина спин-орбитального расщепления валентной зоны), в соответствиис правилами отбора составляет 3:1. Это приводит к степени ориентации ( Р )электроновпри их рождении, равной
=50%. Здесь
- заселённости спиновых состояний в зоне проводимости. Средний по ансамблюспин электронов
= 0,5 Р = 0,25. При увеличении энергии фотона до значений
+
включаютсяпереходы из отщеплённой валентной подзоны
к-рые уменьшают разность заселенностей состояний зоны проводимости с S=
1/2ивеличину Р. Зависимость Р(
)позволяетопределить параметр
Трудность наблюдения О. о. в твёрдом телезаключается в её быстрой релаксации. Характерные времена спиновой релаксациидля электронов~ 10-7 - 10-10 с, а для дырок
~10-10 - 10-13 с (что на много порядков меньше времёнспиновой релаксации свободных атомов в газах). Спиновая система ядер релаксируетмедленно:
~ 10-2 - 1 с в кристаллах А IIIBv и
~ 102 - 105 с в Si.
Методы обнаружения О. о. в полупроводникахбазируются либо на возможности наблюдения ориентиров. носителей за времена, <меньшие(метод поляризованной люминесценции), либо на наблюдения равновесной ядернойнамагниченности (см. ниже), сохраняющейся длит. время (метод ядерногомагнитного резонанса )и квантовой магнитометрии, использующей сквиды. Развиттакже метод, основанный на циркулярном фотогальваническом эффекте, в к-ромО. о. спинов приводит к появлению тока.
Метод поляризованной люминесценции основанна измерении степенициркулярной поляризации рекомбинационного излучения (люминесценции)с участием ориентированных носителей. При наблюдении люминесценции вдольвозбуждающего луча
Если время жизни фотовозбуждённого неравновесного состояния
то наблюдается значит. величина
= (n+ - n-)/(n++ n-), где
- числа фотонов рекомбинац. излучения, поляризованных по правому и левомукругу.
При наблюдении люминесценции кристалловAIIIBV в направлении возбуждающего луча светаиз-за быстрой релаксации вклад поляризации дырок пренебрежимо мал.
Наложение поперечного магн. поля (напр.,вдоль оси ох )приводит к ларморовой прецессии спина и уменьшениюв дополнение к его понижению вследствие рекомбинации ориентиров. электронови их спиновой релаксации. Вращение S в поперечном магн. поле . приводитк уменьшению
по закону
где
(g - фактор спектроскопич. расщепленияв магн. поле,- магнетон Бора). По внеш. проявлениям электронный эффект магн. деполяризациилюминесценции аналогичен Ханле эффекту. Осн. информация об О. о. <в кристаллах AIIIBV получена с помощью поляризов. <люминесценции (рис. 2).
Методы ЯМР и квантовоймагнитометрии. Большие времена спиновой релаксации ядер
позволяют "накопить" в освещаемом полупроводнике ядерную поляризацию, нанеск. порядков превышающую её термодинамически равновесное значение. ПроцессыО. о. электронных спинов и наблюдение её результатов разделены во времени. <Созданную путём освещения в слабом магн. иоле ядерную поляризацию измеряютс помощью ЯМР-спектрометра или сквида. Этот метод эффективен для чистогоSi, в к-ром наблюдение поляризации люминесценции при О. о. затруднено из-засоотношения
Отказ от регистрации люминесценции позволяет использовать непрямые оптич. <переходы с малыми квантовым выходом и коэф. поглощения. Это обеспечиваетполяризацию ядерных спинов в объёме образца.
Фотогальванический метод основан на эффектеасимметричного рассеяния ориентированных по спину электронов относительноплоскости, содержащей их спин и импульс р. Эдс возникает за счётасимметричного рассеяния. Изменение внеш. магн. поля, "разворачивающего"векторотносительно импульса р электрона, позволяет варьировать и наблюдатьфототок, пропорц.
обусловленный О. о.
Применение. Методом О. о. в полупроводникеисследуются кинетич. и релаксац. явления, параметры зонной структуры, дефекты кристаллич. <структуры. Деполяризация рекомбинац. излучения в магн. поле, наблюдаемаяв AIIIBV, даёт информацию о механизмах рекомбинациии спиновой релаксации носителей. Для полупроводников характерны специфич. <типы спиновой релаксации: при низких темп-pax существенны обмен спиномс быстро релаксирующей дыркой (механизм Бира - Аронова - Пикуса), при комнатнойтемп-ре - механизм Дьяконова - Переля, обусловленный снятием спиновоговырождения зон в кристаллах без центра инверсии.
Спиновая "метка" фотовозбуждённых электронов, <двигающихся через области переменного состава в варизонных полупроводникахи полупроводниковых структурах, позволяет изучать диффузию и подвижностьперавновесных носителей, исследовать процесс переизлучения. Параметры зоннойструктуры исследуются по зависимости степени поляризации люминесценцииили эмитируемых в вакуум электронов от энергии квантов возбуждающего света.
О. о. электронов в кристаллах используетсядля получения интенсивных поляризов. пучков свободных электронов, т. к. <при спец. обработке поверхности кристаллов в высоком вакууме удаётся достичьотрицат. электронного сродства и обеспечить высокий квантовый выход фотоэлектроннойэмиссии.О. о. ядерных спинов. Наиб. эффективноядерная поляризация осуществляется за счёт сверхтонкого взаимодействияэлектронов, локализованных на донорной примеси, причём для мелких уровнейэлектроны взаимодействуют с большим числом ядер (напр., 105 для GaAs). При этом действующее на электрон ср. суммарное поле всех ядер( Н я), находящихся в области локализации этого электрона, даже при незначит. <степени поляризации ядер ( Р я )может быть большим (в GaAs Н я достигает десятков кЭ). Одновременно на каждое ядросо стороны ориентиров. электронов действует флуктуирующее во времени (из-зарекомбинации и спиновой релаксации) поле электронов, ср. величина к-рого Н э пропорц.
,и при полной поляризации электронов (
= 1/2) измеряется десятками Э. В результате в электронно-ядернойспин-системе в условиях О. о. действует внутр. обратная связь, т. к. величина
определяется суммарным полем Н я + Н (Н - внеш. <поле), а величина Н я в свою очередь зависит от
(рис. 3, а).
Рис. 3. Нелинейность поляризации электронно-ядернойспин-системы (ЭЯСС) полупроводника в условиях оптической ориентации: а- схема внутренней обратной связи в ЭЯСС; б - бистабильность поляризацииЭЯСС кристалла Al0,24Ga0,76As при Т = 77 К и углеj= 3° между Н и осью (110) кристалла, возбуждаемого светом вдольоси (100); в - неустойчивость поляризации ЭЯСС при
= 6° (1) и
=9,5° (2).
Поведение электронно-ядерной спин-системыв условиях О. о. описывается системой связанных нелинейных ур-ний. Приопределённой пространственной структуре поля Н я естьобласти решений, где поляризация электронов и ядер бистабильна (рис. 3, б),а также решение, к-рое неустойчиво, что соответствует возникновению незатухающихколебаний (рис. 3, в). Бистабильность и неустойчивость поляризации люминесценциинаблюдались при О. о. в твёрдых растворах Al хGa1- хAs,в к-рых существенную роль играет локальное нарушение кубич. симметрии, <вызванное частичным замещением атомов Ga на Аl. Период незатухающих колебанийrв зависимости от внеш. условий изменялся в диапазоне 10 - 50 с. Нелинейныеэффекты - следствие коллективного характера электронно-ядерных взаимодействийпри О. о. Они наблюдались в диапазоне Н ~0,1 - 1000 Э.
Оптическое охлаждение ядерной спин-системы (ЯСС).Энергетич. состояние ЯСС характеризуется спиновой темп-рой
,которая определяется спин-спиновым взаимодействием ядер. Это взаимодействиезначительно сильнее спин-решёточного, характеризующего обмен энергий междуЯСС и решёткой, что обеспечивает возможность достижения значений
,на неск. порядков меньше темп-ры решётки Т. Изменение ориентацииядер, вызванное взаимодействием с оптически ориентиров. электронами, сопровождаетсяизменением энергии ядерных спинов в их локальном поле Н л, созданном на данном ядре всеми остальными ядрами. Согласно теории:
где I и
- спин и магн. момент ядра. Мерой
в поле Н служит ср. спин-ядер:
( Н я пропорц.
).После выключения поля Н поляризация ядер исчезает
и величина
не может быть измерена непосредственно. Однако, т. к. спин-решёточная связьмала, состояние с уменьшенной величиной
,соответствующее уменьшению числа возможных спиновых конфигурации, сохраняетсяв течение длит. времени Т я. Если включить черезвремя t < Т я измерительное поле
то поляризация ядер вдоль Н изм вызывает деполяризациюлюминесценции в течение времени релаксации ЯСС.
При оптпч. охлаждении ЯСС в кристаллахAIIIBV достигнуты~ 1 - 5 х 10-6 К. а для магниторазбавленной системы ядер 29Si(4%) в кремнии получены
~10-4 - 10-5 К.
Оптич. охлаждение ядер возможно такжеи в поле ориентиров. электронов Н э, если Н = 0илиВ последнемслучае поляризация ядер вдоль Н может усиливать или ослаблять деполяризующеедействие Н в зависимости от взаимной ориентации Н и Н я.На рис. 4 показана кривая
для кристалла AlGaAs, в к-ром Н я
Н.При Н = Н я действие поля компенсируется и величинаr( Н )восстанавливается до значения
(0). Пунктир - зависимость
( Н )для электронов при Н я =0. Действие света имеет следствиемохлаждение ЯСС, а поляризация ядер возникает в результате установлениятермодинамич. равновесия во внеш. поле в условиях низкой спиновой темп-ры.
Рис. 4. Магнитная деполяризация люминесценциикристалла Alo,24Ga0,76As при Т = 77 К и
=45°;при Н=Н Я
Оптическое детектирование парамагнитногорезонанса. В условиях накопления поляризации ядер на электронные спиныкроме внеш. поля действует эффективное поле ядер Н я,что влияет на вид зависимостей
( Н )и позволяет оптически детектировать ЯМР в малых объёмах(~10-7 см 3) при поглощении спета в приповерхностномслое с толщиной меньше 1 мкм. Значит. поляризация ядер, к-рая может бытьполучена в условиях оптич. охлаждения их спин-системы, позволяет обнаружитьЯМР в слабых внеш. магн. полях. Уменьшение Н я в результатедеполяризации ядер в условиях резонанса приводит к изменению поляризациилюминесценции, что и делает возможным оптич. детектирование ЯМР. При этомудаётся наблюдать резонансные переходы с одноврем. переворотом спинов какв одной, так и в разных подрешётках кристалла (рис. 5).
В условиях О. о. ядерный резонанс можновозбудить без внеш. магн. поля Н, если промодулировать поляризациюили интенсивность возбуждающего света с частотой вблизи частоты ларморовойпрецессии ядерных спинов в полеВ этом случае роль внеш. поля Н играет осциллирующее поле электронов Н э.
Оптич. детектирование электронного парамагн. <резонанса (ЭПР) основано на уменьшении созданной светом разности заселённостейподуровней1/2 в зоне проводимости под действием переменного поля
счастотой ЭПР. Уменьшение поляризации люминесценции в условиях ЭПР позволяетрегистрировать резонанс при малой концентрации неравновесных электронов. <Так были определены g -факторы ряда полупроводников, для к-рых обычнаятехника ЭПР была неэффективной.
Рис. 5. Спектр ЯМР в кристалле GaAs при .= 1,9 К и разных амплитудах переменного магнитного поля (рис. 2): а- одно-спиновый резонанс (
~ 0,16 Э), б - одно- и двухспиновые (
~1,6 Э), в - двух- и трёхспиновые (
~9,6 Э).
Спиновая ориентация горячих электронов. <Корреляция между ориентациями спинов и импульсов электронов в момент ихвозбуждения в кристаллах AIIIBV приводит к возрастаниюстепени циркулярной поляризации "горячей" люминесценции, наблюдаемой наКВ-краю линии рекомбинац. излучения
Продольное (относительно возбуждающего луча) магн. поле Н нарушаеткорреляцию спина и импульса электронов из-за различия циклотронной частоты, характеризующейизменение импульса, и ларморовой частоты прецессии спина. Это приводитк необычному изменению циркулярной поляризации люминесценции в продольноммагн. поле - величина
уменьшается. Анализ зависимостей
позволяет изучать в стационарных условиях быстропротекающие процессы импульснойрелаксации с характерными временами
Лит.: Дьяконов М. И. и др., Ориентациялектронных спинов в полупроводниках, "УФЫ", 1971, т. 105, с. 772; 3ахарченяБ. П. и др., Спектр и поляризация фотолюминесценции горячих электроновв полупроводниках, "УФН", 1982, т. 136, с. 459; Оптическая ориентация, <под ред. Б. П. Захарчени и Ф. Манера, М. - Л., 1990.
В. Г. Флейшер.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.
.