Thạc Sĩ động học spin của polariton dưới ảnh hưởng của trường bơm phân cực

Mở đầu
v
Thập niên từ 1992 đến 2002 trong quang bán dẫn có thể được gọi là “thập niên
của microcavities”. Về sau, microcavities càng được quan tâm nghiên cứu. Hàng
ngàn bài báo, cả lý thuyết và thực nghiệm về tương tác vật chất-ánh sáng của
những nhà khoa học như : Ivchenko, Andreani, Skolnick, Baumberg, Yamamoto,
K. Kavokin, A. Kavokin, Malpuech, D. B Tran Thoai và cộng sự, được đăng
trên các tạp chí khoa học lớn. Microcavities vẫn là một trong những hệ bán dẫn
hấp dẫn nhất, và rất phong phú với nhiều hiệu ứng cơ bản mới. Những hiệu ứng
này bao gồm tương tác mạnh của photon và exciton, tương tác quang của những
giếng thế lượng tử bị chia cắt, ngưng tụ Bose, Nhiều phòng thí nghiệm trên khắp
thế giới đang cố gắng phát triển những mẫu microcavities. Tất cả những loại công
nghệ quang phổ đang được áp dụng để nghiên cứu những tính chất của excitonpolariton
trong những microcavities, và những hiện tượng quan sát được đang là
những thách đố đối với những người làm lý thuyết trong lĩnh vực này.
Đối với exciton-polariton trong các microcavities, hai hướng thu hút quan tâm
nghiên cứu của các nhà khoa học là: ngưng tụ Bose-Einstein của polariton và động
học spin của polariton. Thực chất của hướng tìm kiếm ngưng tụ Bose-Einstein là
tìm kiếm sự ngưng tụ của exciton hai chiều đã bị photon hóa bằng cách đặt một
giếng lượng tử bên trong một mirocavity. Trong cấu trúc này, một exciton hai
chiều sẽ tương tác với một photon tạo ra một giả hạt mới có bản chất nữa exciton
nữa photon và được gọi là microcavity polariton. Quá trình tìm kiếm ngưng tụ
song song với quá trình tạo nên trạng thái coherence, hay laser. Vì năng lượng liên
kết của một exciton nhỏ hơn nhiều so với năng lượng liên kết của một điện tử với
hạt nhân nguyên tử, nên năng lượng để tạo ra các trạng thái kích thích chuẩn bị
cho hoạt động của laser đối với exciton cũng nhỏ hơn nhiều.
Hướng còn lại nghiên cứu động học spin của polariton, và cũng là hướng đề tài
này thực hiện.
vi
Trong suốt những năm đầu nghiên cứu lý thuyết về động học polaritons, phân
cực của polariton không được xem xét. Tuy nhiên, động học spin của exciton
polaritons trong những microcavities là rất phức tạp. Khi được kích thích bằng ánh
sáng, các polaritons thừa hưởng moment dipole và moment spin của ánh sáng kích
thích. Trạng thái của chúng được đặc trưng đầy đủ bởi “giả spin” tính cho cả sự
định hướng moment dipole và moment spin. Ngay từ khi hình thành trong
microcavities, các polaritons bắt đầu thay đổi trạng thái giả spin của chúng dưới
ảnh hưởng của các trường hiệu dụng, tán xạ với phonon và polaritons khác, Điều
này làm cho động học polaritons phong phú và phức tạp. Sau đó người ta phát hiện
ra rằng sự hồi phục xung lượng và năng lượng của exciton polaritons phụ thuộc
vào spin, phân cực spin của những trạng thái đầu và trạng thái cuối có ảnh hưởng
lớn đến tốc độ tán xạ của những trạng thái này, những điều kiện tới hạn cho ngưng
tụ Bose của polaritons cũng phụ thuộc phân cực.
Một exciton hình thành từ một điện tử và một lỗ trống. Cả hai điện tử và lỗ trống
là những fermion, điện tử trong vùng dẫn với S-đối xứng (số lượng tử l = 0) có
hình chiếu moment góc lên một trục xác định bằng 1
2
z z
Je = Se = ± , lỗ trống trong
vùng hóa trị với P-đối xứng (số lượng tử l = 1) có hình chiếu spin lên trục xác định
bằng z z z
h h h J = S +M
1
2
= ± , 3
2
± . Đối với lỗ trống trạng thái có spin bằng 1
2
z
h J = ± khi spin và moment
quỹ đạo của nó đối song. Trạng thái này gọi là lỗ trống nhẹ. Nếu spin và moment
quỹ đạo song song sẽ hình thành trạng thái lỗ trống nặng có spin bằng 3
2
z
h J = ± .
Trong bán dẫn, một exciton có cấu trúc tương tự như nguyên tử hyđro. Một sự
khác nhau quan trọng là một exciton chuyển động như một toàn bộ bên trong tinh
vii
thể và nó chưa bao giờ tồn tại trong trạng thái cân bằng. Thông thường những
excitons được tạo ra bởi kích thích quang. Một exciton có thời gian sống nhất định
tương ứng với sự tái kết hợp của điện tử dẫn và lỗ trống. Trong những mẫu khối,
tại k = 0 những trạng thái lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ bị suy biến. Tuy nhiên,
trong những giếng lượng tử, sự giam cầm lượng tử theo hướng trục phát triển cấu
trúc đã tách sự suy biến này để những mức năng lượng của lỗ trống nặng nằm gần
đáy của giếng thế hơn so với những mức năng lượng của những lỗ trống nhẹ. Do
điều này, trạng thái cơ bản của exciton hình thành từ một điện tử dẫn và một lỗ
trống nặng. Vì vậy, tổng moment góc J ( cũng được xem như spin của exciton )
của trạng thái cơ bản của exciton có hình chiếu spin lên trục phát triển cấu trúc
bằng ±1,±2 . Điều này cho thấy các exciton và exciton polaritons là những boson
trong giới hạn nồng độ thấp.
Từ điều kiện bảo toàn spin trong quá trình hấp thụ photon của exciton khi nó bị
kích thích quang, chỉ những trạng thái exciton có spin bằng ±1 bị kích thích và nó
được gọi là những trạng thái exciton sáng. Những trạng thái exciton có spin bằng
±2 không bị kích thích được gọi là những trạng thái exciton tối, vì vậy chúng ta sẽ
không xét chúng trong khi nghiên cứu động học của exciton trong microcavities
lượng tử. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng trong một vài trường hợp trạng thái tối
vẫn được xem xét bởi nó có thể trộn với trạng thái sáng do chịu ảnh hưởng của
một từ trường nằm trên mặt phẳng vuông góc với trục phát triển, hoặc do tán xạ
polariton-polariton.
Điều kiện bảo toàn spin trong hấp thụ photon cho phép chúng ta có thể định
hướng spin của exciton thông qua ánh sáng kích thích phân cực. Ánh sáng phân
cực tròn s - và s + kích thích những excitons có spin tương ứng -1 và +1. Ánh
sáng phân cực thẳng kích thích một tổ hợp tuyến tính những trạng thái exciton có
spin bằng -1 và +1, để tổng hình chiếu spin lên trục phát triển của exciton trong
viii
trường hợp này bằng không, trong khi những thành phần moment lưỡng cực của
exciton trên mặt phẳng vuông góc với trục phát triển cấu trúc là khác không.
Luận văn được trình bày trong bốn chương. Trong chương một, chúng tôi trình
bày những vấn đề cơ bản của vật lý spin và vật lý bán dẫn. Chương hai trình bày
các yếu tố ảnh hưởng đến sự hồi phục spin. Chương ba trình bày hình thức luận
giả spin của exciton polariton và dẫn ra các phương trình động học cho số hạt cũng
như động học spin của polariton trong các microcavities. Chương bốn giải số các
phương trình động học cho số hạt và spin của polariton theo các trường bơm phân