Photon echo for excitons in nanostructures

Abstract

Экситоны и трионы в полупроводниковых наноструктурах представляются перспективными для записи и чтения информации об оптическом возбуждении на субпикосекундных временах ввиду их огромной силы осциллятора. Однако хранение оптической когерентности ограничено временем жизни оптических возбуждений и неоднородным уширением оптических переходов за счёт шероховатости интерфейсов и разброса квантовых точек по размерам. Как показывают недавние исследования, использование техники четырёхволнового смешения и фотонного эха позволяет обойти это ограничение перенесением информации о возбуждении в спиновую систему, где она может сохраняться значительно дольше времени жизни оптического возбуждения. Были проведены эксперименты на квантовых точках (In,Ga)As, и оказалось, что полученные зависимости сигналов фотонного эха выглядят довольно сложными для анализа. Это связано со спектральным перекрытием сигналов экситонов и трионов. Для объяснения экспериментальных закономерностей было необходимо разработать соответствующую теорию. Поскольку теория для трионов уже существует, задачей моей магистерской работы являлось построение теоретической модели, описывающей фотонное эхо от экситонной системы в ансамбле квантовых точек (In,Ga)As. В настоящей работе построена модель, описывающая сигнал спонтанного фотонного эха от ансамбля экситонов в магнитном поле, и произведено моделирование сигнала спонтанного фотонного эха для случая резонансной оптической генерации экситонов в наногетероструктуре с квантовыми точками (In,Ga)As в разных поляризационных конфигурациях оптического возбуждения и детектирования. Решение задачи основано на учёте правил отбора при оптическом возбуждении экситонов и влияния внешнего магнитного поля, смешивающего оптически разрешённые и запрещённые переходы. Качественное сравнение смоделированных зависимостей с данными эксперимента позволяет заключить, что результаты расчёта в рамках построенной модели для ансамбля экситонов находятся в достаточном согласии с экспериментом. В работе показана возможность экспериментального разделения сигналов от экситонов и трионов в квантовых точках (In,Ga)As выбором поляризационного протокола.

The theoretical model describing the spontaneous photon echo signal from an ensemble of excitons in a magnetic field is developed in the present work. The simulation of the echo signal for the case of the resonant optical exciton and trion excitation in (In,Ga)As quantum dots ensemble within the framework of the theoretical model is obtained for the different polarization configurations of optical excitation and detection. The theory is based on the selection rules for the optical generation of excitons and taking into account the influence of the magnetic field, which mixes the optically allowed and forbidden transitions. Theoretical results are in reasonable agreement with experimental data. The possibility of experimental separation of photon echo signals from excitons and trions in (In,Ga)As quantum dots by the choice of the polarization protocol is demonstrated.