GaAs/AlGaAs二维电子气中光调控偏振光电流效应

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自旋轨道耦合是半导体自旋现象的一个重要来源,是近几十年来自旋领域的研究热点。我们可以通过外部条件(如温度、电场、磁场、光照等)的改变,从而实现对自旋轨道耦合的操纵和控制。光致电流效应是研究半导体低维结构中自旋相关性质的一种有力手段。本论文在单束光激发的圆偏振光致电流效应(CPGE)和磁回旋光致电流效应(MPGE)的研究基础上,增加另外一束光加以辅助或调制,研究了室温下GaAs/Al0.3Ga0.7As二维电子气样品中的光场调制CPGE(PM-CPGE),光辅助圆偏振光电流(PA-HDPC)和光场调制MPGE(PM-MPGE)等现象,讨论了外加光照对自旋轨道耦合的操纵和调控,并且区分出1064 nm激发光产生的CPGE存在两种微观机制。此外,我们还利用来自于一个光源的两束光,研究了干涉导致的光栅光电流。主要研究结果如下:  1.光场调制CPGE。我们利用光子能量低于GaAs带边的斜入射圆偏振光为激发光,与此同时,增加另外一束带边以上正入射的非偏振光来调制CPGE的大小,发现Rashba相关的CPGE电流与Dresselhaus相关的CPGE电流的比值在低调制功率范围内发生显著的变化,我们认为体系中存在CPGE的两种微观跃迁机制,其中一种机制为Franz-Keldysh效应导致的间接带间跃迁,另一种机制是间接带内跃迁。在没有调制光的情况下,两种跃迁同时存在;当调制光功率足够大时,带内跃迁占据主导地位。我们认为两种机制对应不同的Rashba和Dresselhaus劈裂系数。  2.非偏振光操纵自旋极化光电流。已有的研究表明垂直入射的圆偏振光激发具有C2v对称的GaAs/Al0.3Ga0.7As二维电子气样品,CPGE被抑制。在此基础之上,我们用另外一束光子能量高于GaAs带边的斜入射的非偏振光加以辅助,观察到了圆偏振光诱导的光电流信号,由于这一圆偏光电流与传统意义上的CPGE不同,我们称之为光辅助圆偏振光电流(PA-HDPC)。PA-HDPC的大小依赖于辅助光的入射方向以及入射角。与CPGE类似,PA-HDPC随方位角(测量方向与入射面的夹角)的变化成正弦函数关系,但二者存在一个相位差。我们认为,PA-HDPC来自于辅助光导致的自旋极化载流子在动量空间的非对称分布,是研究自旋轨道耦合的另外一种有效的方法。  3.光场调制MPGE。我们利用高于AlGaAs带边的532 nm可见光作为调制光,低于GaAs带边的1064 nm近红外光为激发光,研究了GaAs/Al0.3Ga0.7As二维电子气中的光场调制MPGE(PM-MPGE),发现与MPGE类似,PM-MPGE与磁场也成线性变化关系,并且调制光的偏振状态对PM-MPGE没有影响。此外,不同偏振态激发光产生MPGE电流对于调制光的反应不同,随调制光功率的变化趋势有很大差异。我们猜测不同偏振态激发光产生的MPGE的微观机制可能不同,并且调制光对不同机制的影响也不同。此外,由于实验中观察到横向MPGE和纵向MPGE随调制光功率的变化不同,我们猜测Rashba和Dresselhaus自旋劈裂受到调制光的影响也是不同的。  4.光栅光电流现象。我们将来自于同一个光源的光一分为二,分别利用光弹调制器和λ/2波片调制成偏振态周期变化的偏振光和偏振方向周期变化的线偏振光,使二者同时入射到GaAs/Al0.3Ga0.7As二维电子气样品上,我们观察到样品上产生与两束光干涉相关的光电流,并且这一电流的大小依赖于两束光的偏振状态、入射面与测量方向的夹角以及两束光的夹角。实验表明两束光发生干涉后在样品上同时产生了明暗周期性变化的强度光栅条纹和偏振度周期性变化的自旋光栅条纹,并且两种条纹以同一频率、恒定相位差进行振动。
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