ОПТИЧЕСКАЯ ОРИЕНТАЦИЯ


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 фотонатом. 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 электрондырка.
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. . 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.
15018-4.jpg

Рис. 1. Схема оптических переходов поддействием правоциркулярно поляризованного 15018-5.jpg, 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 15018-6.jpgи потолка валентных подзон 15018-7.jpgдля кристаллов AIIIBV. Зоны 15018-8.jpgи 15018-9.jpgобразованывырожденными s-u р -атомными состояниями, к-рым соответствуютвеличины спина S =1/2, S =3/2, и S =1/2 (в единицах 15018-10.jpg).Каждый подуровень характеризуется проекцией спина на ось квантования, вкачестве к-рой выбирается направление светового луча (ось z, рис.2).
15018-11.jpg

Отношение интенсивностей переходов -3/2-1/2, и -1/2 +1/2,проходящих при поглощении правополяризованных 15018-12.jpg" фотонов с энергией 15018-13.jpgудовлетворяющее условию 15018-14.jpg(15018-15.jpg - шириназапрещённой зоны,15018-16.jpg- величина спин-орбитального расщепления валентной зоны), в соответствиис правилами отбора составляет 3:1. Это приводит к степени ориентации ( Р )электроновпри их рождении, равной 15018-17.jpg15018-18.jpg=50%. Здесь 15018-19.jpg- заселённости спиновых состояний в зоне проводимости. Средний по ансамблюспин электронов 15018-20.jpg= 0,5 Р = 0,25. При увеличении энергии фотона до значений 15018-21.jpg15018-22.jpg+15018-23.jpg включаютсяпереходы из отщеплённой валентной подзоны 15018-24.jpgк-рые уменьшают разность заселенностей состояний зоны проводимости с S=15018-25.jpg1/2ивеличину Р. Зависимость Р(15018-26.jpg )позволяетопределить параметр 15018-27.jpg
Трудность наблюдения О. о. в твёрдом телезаключается в её быстрой релаксации. Характерные времена спиновой релаксациидля электронов 15018-28.jpg~ 10-7 - 10-10 с, а для дырок 15018-29.jpg~10-10 - 10-13 с (что на много порядков меньше времёнспиновой релаксации свободных атомов в газах). Спиновая система ядер релаксируетмедленно:15018-30.jpg~ 10-2 - 1 с в кристаллах А IIIBv и 15018-31.jpg~ 102 - 105 с в Si.
Методы обнаружения О. о. в полупроводникахбазируются либо на возможности наблюдения ориентиров. носителей за времена, <меньшие 15018-32.jpg (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 степени 15018-33.jpgциркулярной поляризации рекомбинационного излучения (люминесценции)с участием ориентированных носителей. При наблюдении люминесценции вдольвозбуждающего луча 15018-34.jpgЕсли время жизни фотовозбуждённого неравновесного состояния 15018-35.jpgто наблюдается значит. величина 15018-36.jpg= (n+ - n-)/(n++ n-), где 15018-37.jpg- числа фотонов рекомбинац. излучения, поляризованных по правому и левомукругу.
При наблюдении люминесценции кристалловAIIIBV в направлении возбуждающего луча света 15018-38.jpg15018-39.jpgиз-за быстрой релаксации вклад поляризации дырок пренебрежимо мал.
Наложение поперечного магн. поля (напр.,вдоль оси ох )приводит к ларморовой прецессии спина и уменьшению 15018-40.jpgв дополнение к его понижению вследствие рекомбинации ориентиров. электронови их спиновой релаксации. Вращение S в поперечном магн. поле . приводитк уменьшению 15018-41.jpgпо закону

15018-42.jpg

где 15018-43.jpg
(g - фактор спектроскопич. расщепленияв магн. поле,15018-44.jpg- 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 15018-45.jpgпозволяют "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 15018-46.jpgОтказ 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"вектор 15018-47.jpgотносительно импульса р электрона, позволяет варьировать и наблюдатьфототок, пропорц.15018-48.jpgобусловленный 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.15018-49.jpg,и при полной поляризации электронов (15018-50.jpg= 1/2) измеряется десятками Э. В результате в электронно-ядернойспин-системе в условиях О. о. действует внутр. обратная связь, т. к. величина 15018-51.jpgопределяется суммарным полем Н я + Н (Н - внеш. <поле), а величина Н я в свою очередь зависит от 15018-52.jpg (рис. 3, а).

15018-53.jpg

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 15018-54.jpg= 6° (1) и 15018-55.jpg=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 15018-56.jpg,которая определяется спин-спиновым взаимодействием ядер. Это взаимодействиезначительно сильнее спин-решёточного, характеризующего обмен энергий междуЯСС и решёткой, что обеспечивает возможность достижения значений 15018-57.jpg,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:

15018-58.jpg

где I и 15018-59.jpg- спин и магн. момент ядра. Мерой 15018-60.jpgв поле Н служит ср. спин-ядер:

15018-61.jpg

( Н я пропорц.15018-62.jpg).После выключения поля Н поляризация ядер исчезает 15018-63.jpgи величина 15018-64.jpgне может быть измерена непосредственно. Однако, т. к. спин-решёточная связьмала, состояние с уменьшенной величиной 15018-65.jpg,соответствующее уменьшению числа возможных спиновых конфигурации, сохраняетсяв течение длит. времени Т я. Если включить черезвремя t < Т я измерительное поле 15018-66.jpgто поляризация ядер вдоль Н изм вызывает деполяризациюлюминесценции в течение времени релаксации ЯСС.
При оптпч. охлаждении ЯСС в кристаллахAIIIBV достигнуты 15018-67.jpg~ 1 - 5 х 10-6 К. а для магниторазбавленной системы ядер 29Si(4%) в кремнии получены 15018-68.jpg~10-4 - 10-5 К.
Оптич. охлаждение ядер возможно такжеи в поле ориентиров. электронов Н э, если Н = 0или 15018-69.jpg В 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 15018-70.jpgдля кристалла AlGaAs, в к-ром Н я 15018-71.jpg Н.При Н = Н я действие поля компенсируется и величинаr( Н )восстанавливается до значения 15018-72.jpg(0). Пунктир - зависимость 15018-73.jpg( 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.

15018-74.jpg

Рис. 4. Магнитная деполяризация люминесценциикристалла Alo,24Ga0,76As при Т = 77 К и 15018-75.jpg=45°;при Н=Н Я15018-76.jpg

Оптическое детектирование парамагнитногорезонанса. В условиях накопления поляризации ядер на электронные спиныкроме внеш. поля действует эффективное поле ядер Н я,что влияет на вид зависимостей 15018-77.jpg( 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 поле 15018-78.jpgВ этом случае роль внеш. поля Н играет осциллирующее поле электронов Н э.
Оптич. детектирование электронного парамагн. <резонанса (ЭПР) основано на уменьшении созданной светом разности заселённостейподуровней 15018-79.jpg1/2 в зоне проводимости под действием переменного поля 15018-80.jpgсчастотой 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.

15018-81.jpg

Рис. 5. Спектр ЯМР в кристалле GaAs при .= 1,9 К и разных амплитудах переменного магнитного поля (рис. 2): а- одно-спиновый резонанс (15018-82.jpg~ 0,16 Э), б - одно- и двухспиновые (15018-83.jpg~1,6 Э), в - двух- и трёхспиновые (15018-84.jpg~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 15018-85.jpgПродольное (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 15018-86.jpgуменьшается. Анализ зависимостей 15018-87.jpgпозволяет изучать в стационарных условиях быстропротекающие процессы импульснойрелаксации с характерными временами 15018-88.jpg

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. . 1988.


.

Смотреть что такое "ОПТИЧЕСКАЯ ОРИЕНТАЦИЯ" в других словарях:

  • Оптическая ориентация —         парамагнитных атомов, упорядочение с помощью оптического излучения (См. Оптическое излучение) направлений магнитных моментов (См. Магнитный момент) и связанных с ними механических моментов атомов газа (см. Атом). Открыта А. Кастлером в… …   Большая советская энциклопедия

  • ОРИЕНТАЦИЯ ЖИВОТНЫХ — (франц. orientation, букв. направление на восток), биоориентация, способность животных определять своё положение в пространстве, среди особей того же или др. видов. О. ж. сложный процесс, включающий получение информации о внеш. мире по разным… …   Биологический энциклопедический словарь

  • Ориентация животных —         присущая животным способность определять своё положение в пространстве, среди особей того же или др. видов, т. е. в популяции (См. Популяция) и Биоценозе. О. ж. сложный процесс, включающий получение информации о внешнем мире по разным… …   Большая советская энциклопедия

  • Оптика — (греч. optikē наука о зрительных восприятиях, от optós видимый, зримый)         раздел физики, в котором изучаются природа оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии… …   Большая советская энциклопедия

  • Поляризация света —         одно из фундаментальных свойств оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света), состоящее в неравноправии различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны). П. с.… …   Большая советская энциклопедия

  • ХАНЛЕ ЭФФЕКТ — один из эффектов магнитооптики, состоит в изменении диаграммы направленности и в уменьшении степени поляризации света резонансной частоты, рассеянного атомами, находящимися в слабом внеш. магн. поле. Хар р поляризации рассеянного света… …   Физическая энциклопедия

  • МАГНИТООПТИКА — (магнетооптика), раздел физики, изучающий изменения оптич. свойств в ва под действием магн. поля. Подавляющее большинство магнитооптич. явлений связано с расщеплением уровней энергии атома (снятием вырождения). Непосредственно это расщепление… …   Физическая энциклопедия

  • РАДИОСПЕКТРОСКОПИЯ — раздел физики, в рамках к рого исследуются переходы между энергетич. уровнями квантовой системы, индуцированные эл. магн. излучением радиодиапазона (см. РАДИОВОЛНЫ). Многообразие резонансных явлений, вызванных этими переходами, обусловливает… …   Физическая энциклопедия

  • КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР — (тесламетр) прибор для измерения слабых магн. полей, основанный на определении частоты квантового перехода парамагн. частиц с одного зеемановского подуровня на другой. Разность энергий между зеемановскими подуровнями пропорц. напряжённости магн.… …   Физическая энциклопедия

  • Садовского эффект —         появление механического вращающего момента (См. Вращающий момент), действующего на тело, облучаемое поляризованным эллиптически или по кругу светом. Теоретически предсказан в 1898 русским учёным А. И. Садовским (См. Садовский). С. э.… …   Большая советская энциклопедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.