Wpływ naprężenia na relaksację spinową jonów magnetycznych w nanostrukturach półprzewodnikowych

W pracy opisano badania czasów relaksacji spinowej jonów magnetycznych wbudowanych w nanostruktury półprzewodnikowe. Zastosowanie nanostruktur półprzewodnikowych wykonanych z materiałów o różnych stałych sieci krystalicznej pozwoliło na uzyskanie próbek różniących się naprężeniem. Celem pracy było zbadanie wpływu naprężenia obecnego w bezpośrednim otoczeniu jonu magnetycznego na czas relaksacji spinowej jonu manganu Mn2+ oraz jonu kobaltu Co2+. Zasadniczą cechą różniącą obydwa jony jest wartość orbitalnego momentu pędu, która dla jonu manganu Mn2+ jest równa zero (L = 0), zaś dla jonu kobaltu Co2+ jest większa od zera (L = 3). Z tego powodu oddzia ływanie spin-orbita jest znacznie silniejsze w przypadku jonu kobaltu, a co za tym idzie silniejszy jest spodziewany wpływ naprężenia sieci krystalicznej na czas relaksacji spinowej. W badaniach wykorzystano dwa systemy nanostruktur: studnie kwantowe (Cd, Mn)Te/(Cd, Mg)Te, dla których poziom domieszkowania manganem wy nosił około 0,25%, oraz pojedyncze kropki kwantowe CdTe/ZnTe z pojedynczymi jonami kobaltu Co2+. W przypadku studni kwantowych przeprowadzono pomiary optycznie wykrywanego rezonansu paramagnetycznego (ODMR) w polu magnetycznym o arbitralnie wybranym kierunku, w specjalnie do tego celu zaprojektowanym uchwycie (antenie) zapewniającym silne sprzężenie z promieniowaniem mikrofalowym. Wyniki pomiarów połączone z symulacjami numerycznymi pozwoliły na wyznaczenie wartości D: indukowanego naprężeniem parametru osiowej składowej pola krystalicznego Hamiltonianu spinowego. Parametr D jest bezpośrednio związany z deformacją studni kwantowej poprzez parametr G11 opisujący siłę sprzężenia pomiędzy spinem a siecią krystaliczną. Badania wykonano dla serii próbek różniących się zawartością magnezu w warstwie bufora. Taki sposób zaprojektowania próbek skutkował uzyskaniem zadanej wartości deformacji w warstwie studni kwantowej. Uzyskanie konkretnych wartości deformacji zostało pośrednio potwierdzone na podstawie wyników badań magnetospektroskopowych oraz bezpośrednio (dla wybranych próbek) na podstawie rezultatów rozpraszania promieniowania rentgenowskiego. Identyfikacja przejść ekscytonowych związanych z lekkimi i ciężkimi dziurami w widmach odbicia światła białego pozwoliła na wyznaczenie wartości potencjału deformacyjnego w CdTe: b = (−0,94 ± 0,08) eV. Uzyskane wyniki umożliwiły też wyznaczenie wartości parametru sprzężenia spin-sieć dla jonu Mn2+ w CdTe: G11 = (72,2 ± 1,9) neV. Otrzymana wartość G11 jest większa niż jedyna występująca do tej pory w literaturze (57 ± 1,3 neV). Różnicę można przypisać odmiennym technikom wzrostu próbek – w tej pracy wykorzystano epitaksję z wiązek molekularnych (MBE), a w badaniach prezentowanych w literaturze użyto próbek objętościowych, które były wytworzone zmodyfikowaną metodą Bridgmana. Do wyznaczenia czasów relaksacji spinowej wykorzystano rozdzielone w czasie badania ODMR. Otrzymane wyniki pokazują, że w badanym zakresie naprężeń czas relaksacji spinowej jonu manganu Mn2+ skraca się wraz z rosnącą wartością deformacji. Dodatkowo zmierzono zależność szybkości relaksacji spinowej od pola magnetycznego oraz temperatury. Uzyskane wyniki są dobrze odtwarzane w modelu bazującym na równaniach kinetycznych opisujących sześciopoziomowy system zadany Hamiltonianem spinowym. Dominującym mechanizmem relaksacji jest jednofononowy mechanizm bezpośredni. Przeprowadzenie analogicznych badań w przypadku jonów kobaltu Co2+ było niemożliwe z powodu zjawiska wygaszania fotoluminescencji przez przejścia wewnątrzcentrowe. Problem ten rozwiązano poprzez obniżenie wymiarowości nanostruktur. Z tego powodu badania jonu kobaltu prowadzone były dla samozorganizowanych kropek CdTe/ZnTe. Na podstawie badań widm fotoluminenscencji w polu magnetycznym oszacowano wartości parametru D oraz efektywność transferu polaryzacji pomiędzy ekscytonem a jonem kobaltu.Otrzymano wartość bliską jedności, co oznacza, że potrzebny jest średnio jeden ekscyton, aby zmienić wartość rzutu spinu jonu kobaltu na oś kwantyzacji. Ponadto przeprowadzono pomiary czasów relaksacji spinowej, które wykazały, że szybkość relaksacji jonu Co2+ jest o ponad rząd wielkości większa niż jonu Mn2+. Co ciekawe, w otrzymanych wynikach czasy relaksacji nie zależały od wartości parametru D. Wyznaczona dla Co2+ zależność czasu relaksacji od pola magnetycznego jest podobna do tej otrzymanej dla jonu manganu, co ponownie sugeruje bezpośredni mechanizm relaksacji. Dodatkowo, wyzwania eksperymentalne związane z pomiarami czasów relaksacji spinowej jonów w pojedynczych kropkach kwantowych doprowadziły, w ramach przeprowadzonych badań, do opracowania eliptycznych mikrosoczewek polimerowych wykonywanych techniką druku 3D. Soczewki te pozwalają na pewną poprawę ekstrakcji światła z badanych struktur półprzewodnikowych oraz zwiększenie o ponad rząd wielkości dystansu dzielącego próbkę od elementów optycznych układu pomiarowego.