Взаимодействие элементарных возбуждений полупроводниковых наноструктур с акустическими и электромагнитными полями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат наук Ковалёв, Вадим Михайлович

• Ковалёв, Вадим Михайлович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Ковалёв, Вадим Михайлович

Оглавление

Введение

Обзор литературы

Глава 1. Акустоэкситонное взаимодействие в газе двумерных непрямых дипольных экситонов в баллистическом режиме

1.1. Введение

1.2. Поглощение ПАВ Релея и Гуляева-Блюштейна в экситонном газе

1.3. Эффект акустического увлечения экситонного газа

1.4. Выводы к Главе 1

Глава 2. Акустоэкситонное взаимодействие в газе двумерных непрямых дипольных экситонов в диффузионном режиме

2.1. Введение

2.2. Экситонный газ при высоких температурах

2.3. Экситонный конденсат при нулевой температуре

2.4. Выводы к Главе 2

Глава 3. Столкновительные времена жизни элементарных возбуждений в двумерных системах

3.1. Введение

3.2. Время жизни квазичастиц в двумерном электрон-дырочном газе

3.3. Акустоэлектронное взаимодействие в двумерном электрон-дырочном газе

3.4. Время жизни квазичастиц в электрон-экситонной системе

3.5. Время жизни квазичастиц в поляритонном газе с линейной дисперсией

3.6. Выводы к Главе 3

Глава 4. Эффекты экранирования статического возмущения в электронном и экситонном газах

4.1. Введение

4.2. Экранирование и фриделевские осцилляции в двойной квантовой

яме и сверхрешетке

4.3. Экранирование в экситонном газе

4.4. Модуляция плотности в электрон-экситонной системе

4.5. Выводы к Главе 4

Глава 5. Взаимодействие одиночных элементарных возбуждений с электромагнитным полем в квантовых ямах и квантовых кольцах

5.1. Введение

5.2. Тонкая структура экситонной люминесценции в квантовых кольцах во внешнем электромагнитном поле

5.3. Комбинационное рассеяние света на экситонах в квантовых ямах

5.4. Композитные частицы в квантовых ямах

5.5. Плазменные колебания в квантовых кольцах

5.6. Выводы к Главе 5

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Взаимодействие элементарных возбуждений полупроводниковых наноструктур с акустическими и электромагнитными полями»

Введение

Актуальность темы исследования. Электрофизические и оптические свойства современных низкоразмерных полупроводниковых систем определяются физическими свойствами характерных для них элементарных возбуждений (ЭВ) [1]. Знание законов дисперсии ЭВ, их поведения во внешних полях и т.д. позволяет не только объяснить физические свойства наноструктур, но и предсказывать свойства новых структур и соединений. Последнее обстоятельство является особенно важным с точки зрения приложения наноструктур в микро-и наноэлектронике.

С фундаментальной точки зрения взаимодействие ЭВ приводит к богатому спектру их физических свойств. Наиболее интересными физическими эффектами являются такие, в которых взаимодействие ЭВ не мало, и приводит к перестройке основного состояния системы с образованием новых фазовых состояний вещества. С другой стороны, огромный интерес проявляется к явлениям, в которых на первый план выходят квантовый свойства ЭВ, так называемые макроскопические квантовые явления, типичными представителями которых являются магнетизм конденсированных сред, эффекты сверхпроводимости и сверхтекучести. Последние два эффекта стали камнем преткновения для теоретической физики XX века. Тем не менее, удалось справиться и с теоретическим объяснением этих явлений. В настоящее время идеи и принципы, лежащие в основе этих эффектов, вышли далеко за рамки физики конденсированного состояния. Так, теория сверхпроводимости используется не только в физике конденсированного состояния, а и в теории ядра, в теории элементарных частиц, в теории сильных взаимодействий. Оба явления, сверхпроводимость и сверхтекучесть, близко связаны с другим макроскопическим эффектом - явлением бозе-эйнштейновской конденсации (БЭК). Предсказанное много лет назад А. Эйнштейном [2], оно долгое время оставалось "вещью в себе" , и лишь с развитием экспериментальной техники стало возможным наблюдать БЭК в реальных

системах холодных атомов [3], что стимулировало интенсивное теоретическое и экспериментальное изучение БЭК.

Физика конденсированного состояния и физика наноструктур не остались в стороне. Наличие в наноструктурах возбуждений бозе типа стимулировало исследование БЭК в твердотельных системах. В настоящее время это одно из активно развиваемых направлений теории и эксперимента в физике наноструктур, в частности, в экспериментальных работах В.Б. Тимофеева и А.В. Горбунова [4] в России и Л. Бутова [11] в США. Объектами изучения здесь являются экситоны - связанные состояния двух фермионов, в результате имеющие целый спин, и относящиеся к классу бозонов. Создание искусственных полупроводниковых структур приводит и к появлению новых типов возбуждений. В полупроводниковых микрорезонаторах реализуются гибридные ЭВ, представляющие собой связанное состояние фотона и экситона - экситонные поляритоны. Будучи также бозе-частицами, экситонные поляритоны могут образовывать БЭК.

При определенных условиях время жизни экситонных возбуждений можно увеличить на несколько порядков (в миллион раз!), что позволяет охладить экситонный газ в двумерной системе ниже температуры бозе-конденсации и изучать БЭК фазу экситонного газа. Большинство современных работ по эффекту бозе-конденсации экситонов в низкоразмерных полупроводниковых системах имеет дело с равновесными свойствами экситонного конденсата. Однако как с фундаментальной, так и с практической точки зрения значительный интерес представляют физические эффекты, при которых экситонный газ подергается воздействию внешнего динамического возмущения. В такой постановке основным вопросом является разработка теории кинетических эффектов (линейного, квадратичного откликов) в экситонном газе, и особенно при фазовом переходе экситонного газа в режим БЭК. В диссертации на примере взаимодействия экситонного газа с полем звуковой волны строится теория линейного (поглощение звука) и квадратичных откликов (эффект увлечения экситонного газа звуковым полем). Кроме очевидного практического результата (разработана

теоретическая основа применения методов акустической спектроскопии для исследования бозе-конденсации экситонных газов), построенная теория имеет и общефизическое значение: разработанный метод теоретического описания кинетических эффектов в бозе-конденсированной системе применим и при электродинамических воздействиях на экситонный газ; может применяться и к бозе-конденсатам экситонных поляритонов, и даже для описания кинетических эффектов в атомарных конденсатах. Кроме этого, статический предел функций линейного отклика экситонного газа используется в диссертации для построения теории экранирования статических возмущений в бозе-конденсатах, что позволяет объяснить (как минимум, качественно) экспериментально наблюдаемое поведение экситонного газа в ловушках с беспорядком.

Другим важным аспектом теории ЭВ является изучение взаимодействия бозе и ферми возбуждений в твердых телах. Взаимное влияние возбуждений друг на друга перенормирует их физические свойства и часто радикальным образом (вспомним фононный механизм образования куперовских пар) меняет физические свойства системы. Кроме уже известных твердотельных структур, в которых изучаются фонон-электронное, фонон-экситонное взаимодействие, относительно недавно в литературе появился интерес к гибридным двумерных структурам, состоящим из двумерных электронного и экситонного (либо поля-ритонного) газов [33]. Такая система является твердотельным аналогом смеси ферми и бозе изотопов жидкого гелия и начинает активно изучаться теоретически. Один из важнейших вопросов здесь - теоретическое описание свойств элементарных возбуждений во взаимодействующей системе электронов и экси-тонов, при фазовом переходе экситонной подсистемы в режим БЭК. Вопрос о временах жизни ЭВ, обусловленных межчастичными электрон-экситонными процессами столкновений, не рассматривался в литературе. Поскольку время жизни является одним из важнейших характеристик любого элементарного возбуждения, то расчет этих времен является одним из требований к теории. В настоящей диссертации изучается гибридная электрон-экситонная система и

строится теория межчастичных столкновений в электрон-экситонной смеси при фазовом переходе экситонной подсистемы в режим БЭК.

Кроме уже указанных систем, в диссертации рассматриваются свойства ЭВ в ряде других низкоразмерных полупроводниковых структур: электрон-дырочных газах двумерных полуметаллов, теоретически описываются свойства бозе возбуждений в квантовых кольцах. В случае квантовых колец нетривиальность топологии приводит к хорошо известному эффекту Аронова-Бома для заряженных частиц, обусловленному аккумулированием дополнительной фазы, связанной с наличием у частицы заряда. В связи с этим возникает вопрос: возможен ли эффект Аронова-Бома для нейтральных коллективных ЭВ, таких как плазмоны? Может ли проявляться топология квантового кольца в других физических эффектах, в частности, в отсутствие магнитного поля? Ответы на эти вопросы также даются в диссертации.

Перечисленные выше проблемы определяют актуальность темы диссертации, посвященной теоретическому исследованию взаимодействия акустических и электромагнитных полей с экситонным и электрон-дырочным газом в низкоразмерных полупроводниковых системах, разработке микроскопической теории механизмов рассеяния элементарных возбуждений в таких газах и анализу свойств одиночных элементарных возбуждений в квантовых кольцах.

Цели диссертационной работы. Целью настоящей диссертации является построение теории взаимодействия элементарных возбуждений различных типов в полупроводниковых наноструктурах друг с другом и с внешними электромагнитными и акустическими возмущениями.

Научная новизна работы.

1. Построена теория акустоэкситонных эффектов в двумерном газе пространственно непрямых дипольных экситонов при фазовом переходе в состояние бозе-конденсации.

2. Теоретически рассчитаны столкновительные времена жизни элементарных возбуждений бозевского и фермиевского типов в электрон-дырочной, элек-

трон-экситонной и поляритонной плазме.

3. Разработана теория эффектов экранирования и фриделевских осцил-ляций в многокомпонентном электронном, экситонном и электрон-экситонном газах.

4. Построена теория экситонной люминесценции квантовых колец во внешнем переменном электромагнитном поле.

5. Разработана теория эффекта Ааронова-Бома для плазменных колебаний в квантовых кольцах конечной ширины.

6. Найдено сечение комбинационного рассеяния света на экситонах в квантовых ямах.

7. Рассчитаны энергетические спектры композитных элементарных возбуждений в квантовых ямах и проанализированы их оптические свойства.

Научная значимость работы. Совокупность полученных результатов, положений и выводов диссертационной работы можно квалифицировать как научное достижение в области физики полупроводников, связанное с кинетическими явлениями и эффектами экранирования в бозе-конденсированных двумерных экситонных и электрон-экситонных системах, эффектами межчастичной релаксации элементарных возбуждений в электрон-экситонных, электрон-дырочных и поляритонных газах, а также с оптическими свойствами одиночных элементарных возбуждений в топологически нетривиальных нульмерных нано-объектах. Полученные результаты имеют теоретическое и практическое значение для физики полупроводников и представляют значительный научный вклад в физику низкоразмерных полупроводниковых структур.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем.

1. Построена теория акустоэкситонных эффектов в двумерном газе диполь-ных экситонов в полупроводниковых наноструктурах. Полученные результаты являются теоретической основой применения метода акустической спектроскопии к изучению свойств бозе-конденсированных экситонных систем.

2. Разработана теория столкновительной релаксации элементарных возбуждений в электрон-дырочном, электрон-экситонном и поляритонном газах. Предсказанный в диссертации эффект усиления поляритон-поляритонного рассеяния может быть использован на практике при создании поляритонных лазеров.

3. Полученные результаты по теории экранирования статических потенциалов в экситонном газе объясняют имеющиеся в этой области эксперименты.

4. Проведенный анализ оптических свойств одиночных элементарных возбуждений в квантовых кольцах и квантовых ямах обнаружил ряд нетривиальных особенностей, проявляющихся в спектрах люминесценции и рассеяния света.

Положения, выносимые на защиту:

1. Фазовый переход двумерного газа дипольных экситонов в режим бозе-конденсата качественно меняет зависимости коэффициента поглощения и плотности тока экситонного увлечения поверхностной звуковой волной (ПАВ) от частоты волны и плотности экситонов. В режиме бозе-конденсата коэффициент поглощения ПАВ и плотность тока увлечения содержат резонансный и пороговый вклады в зависимости от плотности экситонов, что приводит к режиму бездиссипативного прохождения ПАВ через экситонный газ при определенных значениях плотности экситонов.

2. Рассеяние экситонов на статическом флуктуационном потенциале приводит к затуханию возбуждений и устранению сингулярностей в поведении коэффициента поглощения ПАВ и тока акустоэкситонного увлечения. Переход экситонного газа в режим бозе-конденсата увеличивает время экситон-примес-ного рассеяния на несколько порядков по сравнению с нормальной фазой.

3. В гибридной электрон-экситонной системе в режиме экситонного конденсата рассеяние электронов на экситонах существенно уменьшает время жизни электронных возбуждений. Основной вклад в темп релаксации электронов происходит от рассеяния электронов на надконденсатных экситонах.

4. Модификация спектра двумерных экситон-поляритонов из квадратичного в линейный усиливает поляритон-поляритонное рассеяние при малых энергиях.

5. Выше температуры конденсации в равновесном газе дипольных эксито-нов экранирование носит диэлектрический характер с экспоненциальной зависимостью диэлектрической постоянной от плотности экситонов. При наличии конденсата экситонов экранирование приводит к резкому убыванию потенциала статического возмущения с расстоянием (для точечной примеси как р-7).

6. Спектр экситонной люминесценции квантовых колец во внешнем переменном электромагнитном поле является совокупностью фотонных повторений, интенсивность которых определяется частотой и амплитудой внешнего электромагнитного поля.

7. Плазменные колебания электронного газа в квантовых кольцах демонстрируют эффект Аронова-Бома. Конечная ширина квантового кольца приводит к зависимости частоты плазмона от магнитного потока, содержащей монотонную и осциллирующую составляющие.

Степень достоверности результатов. Достоверность полученных в работе теоретических результатов обосновывается использованием адекватных поставленным задачам теоретических концепций и математических методов теоретической физики уже опробованных на других физических системах.

Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:

IX, X, XI, XII Российской конференции по физике полупроводников (Новосибирск-Томск, 2009; Нижний Новгород, 2011; Санкт-Петербург, 2013; Москва-Ершово, 2015); Российско-Швейцарский семинар "Excitons and exciton condensates in confined semiconductor systems" (Москва, 2006); Международная конференция по теоретической физике "Dubna-Nano-2008" (Дубна, 2008); XI, XII, XIII Международной конференции "Optics of excitons in confined systems" (Мадрид, 2009; Париж, 2011; Рим, 2013); XIV, XVII Международном симпозиуме "На-

нофизика и наноэлектроника" (Нижний Новгород, 2010; Нижний Новогород, 2013); XI, XIV Международной конференции по физике взаимодействия света с веществом (Берлин, 2011; Херсонисос, 2013); XXIV Международном симпозиуме "Nanostructures: Physics and Technology" (Санкт-Петербург, 2016); 3-ей международной конференции по мезозскопическим структурам в фундаментальных и прикладных исследованиях (Новосибирск-Бердск, 2015). Результаты исследований обсуждались на семинарах Центра теоретической физики сложных систем (Тэджон, Корея), отделения теоретической физики ФИАН им. П.Н. Лебедева (Москва), Института точной механики и оптики (Санкт-Петербург), Института физики им. Л.В. Киренского (Красноярск), НГТУ (Новосибирск), ИФП СО РАН (Новосибирск).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, из них 19 статей в рецензируемых журналах и 1 глава в международной монографии.

Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 5 глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 180 страниц, включая 18 рисунков. Библиография включает 117 наименований на 11 страницах.

Обзор литературы

Изучение свойств элементарных возбуждений (ЭВ) твердых тел имеет давнюю историю, начиная с первых попыток понять устройство, структуру и, конечно же, электрофизические свойства твердых тел. Эта задача была успешно, в основном, выполнена с появлением мощных вычислительных методов в теории твердых тел начиная с 50-х годов прошлого века. Появление нанострукту-рированных объектов поставило вопрос об особенностях поведения в них уже известных к этому моменту ЭВ, и, что более интересно, к появлению ЭВ нового типа [1].

Одним из активно изучаемых объектов в настоящее время в физике наноструктур является электрон-дырочный газ (ЭДГ). Это связано с тем, что при различных условиях эта система может находиться в различных фазовых состояниях, что приводит к большому разнообразию ее свойств в целом, и, конечно, свойств ЭВ в ней. Экспериментально, ЭДГ может создаваться в структурах, состоящих из одиночной или двойной квантовых ям. В первом случае, например, в системе GaAs/AlGaAs, ЭДГ создается облучением структуры лазерным излучением с частотой, превышающей ширину запрещенной зоны материала квантовой ямы (КЯ). В таких условиях ЭДГ является сильно неравновесным, поскольку процесс рекомбинации электрон-дырочных пар должен постоянно компенсироваться процессами их генерации. Существует, и широко используется и другая возможность: к КЯ прикладывается напряжение, электрическое поле которого растягивает электроны и дырки внутри КЯ в противоположные стороны, что существенно подавляет процессы рекомбинации. В этой ситуации, очевидно, КЯ должна быть достаточно широкой — конкретная величина подбирается экспериментально исходя из тех или иных соображений [4].

В других двумерных системах, например, в определенных условиях в структурах на основе Ы§Те, может существовать равновесный двумерный электрон-дырочный газ, поскольку зонная структура КЯ на основе Ы§Те содержит пере-

секающиеся по шкале энергий и разнесенные в импульсном пространстве электронные и дырочные долины в зоне Бриллюэна, т.е. фактически мы имеем структуру двумерного полуметалла [5].

В дополнение к структурам на основе одиночной КЯ, применяются и структуры, состоящие из двойной КЯ [4]. Прикладывая к такой структуре поперечное электрическое поле можно добиться локализации генерируемых дырок в одной, а генерируемых электронов — в другой КЯ. Такая структура имеет ряд преимуществ при изучении некоторых физических эффектов, о которых будет сказано ниже.

Режимы электрон-дырочной системы в наноструктурах.

Одним из ключевых факторов, сказывающихся на свойствах ЭДГ, является кулоновское взаимодействие частиц. В зависимости от концентрации частиц и размеров КЯ, ЭДГ может находиться в различных фазовых состояниях. Качественно различные фазы показаны на Рис. 1. Отметим, что мы не будем рассматривать здесь эффекты магнитного поля, которое может существенно изменять приведенную на Рис. 1 схему. При достаточно высоких концентрациях электронов и дырок (т.е. при высокой интенсивности электромагнитного излучения генерирующего лазера) кулоновское взаимодействие частиц как внутри одного слоя, так между слоями сильно экранируется. В таком режиме система представляет собой электрон-дырочную плазму. Такая система содержит как фермиевскую (квазиэлектроны и квазидырки) так и бозевскую (плазменные колебания) ветви элементарных возбуждений.

При более низких концентрациях возможно появления корреляций в движении электрон-дырочных пар. В нейтральной электрон-дырочной системе имеется возможность широко варьировать концентрацию электронов и дырок, что приводит к различным механизмам их спаривания, т.е. образованию экситоно-подобных возбуждений. При этом, как было показано, возможны корреляции двух типов. При высоких плотностях (па2 >> 1, п - плотность экситонов, а - боровский радиус) электрон-дырочной системы экситоны представляют со-

Рис. 1. Различные фазы электрон-дырочной системы в двойной квантовой яме (сверху вниз): электрон-дырочная плазма; взаимодействующие электрон-дырочные пары (БКШ-режим эк-ситонного изолятора); слабовзаимодействующий экситонный газ (БЭК-режим); экситонный кристалл (аналог кристалла Вигнера). Слева вверху - зонная схема ДКЯ.

бой сильно перекрывающиеся коррелированные электрон-дырочные пары, механизм спаривания в которых подобен куперовскому спариванию в сверхпроводниках, с тем отличием, что взаимодействие электрона и дырки в паре обусловлено кулоновским притяжением, а не фононным механизмом. Впервые такой тип спаривания был рассмотрен в работе Келдыша и Копаева [6] и было показано, что теория БКШ удовлетворительно описывает это состояние. Понятно, что БКШ-подобная фаза ЭДГ возможна при температурах, меньших некоторой критической, аналогичной критической температуре сверхпроводящих металлов.

Три года спустя Келдыш и Козлов [7] рассмотрели противоположный предел низких плотностей (па2 << 1) и продемонстрировали, что такая система обладает боголюбовским типом спектра элементарных возбуждений, аналогично системе слабовзаимодействующих бозе-частиц. Таким образом, в области малых плотностей электрон-дырочная система представляет собой газ слабо-взаимодействующих водородоподобных экситонов Ванье-Мотта. При температурах, меньших некоторой критической, теория конденсата Бозе-Эйнштейна слабовзаимодействующего экситонного газа может строиться с применением техники, разработанной Беляевым [8], [9]. Отметим, что оба типа спаривания теоретически рассматривались для трехмерных систем и экспериментально наблюдались в трехмерных же материалах [10]. С начала 90-х годов интерес переключился на изучение экситонных конденсатов в системах пониженной размерности [11],[12],[13],[14],[15]. Было продемонстрировано, что понижение размерности дает ряд преимуществ. В частности, пространственное разделение электронов и дырок в двойных квантовых ямах (ДКЯ) приводит к увеличению рекомбинационного времени жизни на 3-6 порядков и к уменьшению времени, требующегося на охлаждение экситонного газа. Кроме этого, диполь-дипольное отталкивание экситонов в ДКЯ препятствует образованию связанных многоэк-ситонных комплексов. Для механизма спаривания типа БКШ пространственное разделение сильно подавляет межзонные переходы, что приводит к отсутствию

эффекта фиксации фазы и открывает возможность для наблюдения сверхтекучего движения экситонов [16]. Поэтому в настоящее время экспериментальные исследования БЭК экситонов проводятся на системах из двойных или широких одиночных квантовых ям в электрическом поле, ортогональном слоям. Недавно появился ряд экспериментальных работ в которых изучалось поведение двумерных дипольных экситонов [17], [18], [19] и конденсата экситонных поляритонов

[20] в поле поверхностной звуковой волны. Эти работы стимулировали нас к теоретическому изучению акустоэкситонного взаимодействия в присутствии эк-ситонного конденсата. Глава 1 настоящей диссертации посвящена построению теории акустоэкситонных эффектов как выше, так и ниже температуры конденсации экситонного газа в баллистическом режиме. Диффузионный режим в акустоэкситонных эффектах изучается в Главе 2.

При более низких плотностях экситонов, когда кинетическая энергия центра масс экситона становится сравнимой или меньше энергии диполь-дипольно-го отталкивания, возможно образование кристаллической фазы - двумерного экситонного кристалла, аналога вигнеровского кристалла в электронном газе

[21]. Возможные свойства элементарных возбуждений кристаллической экси-тонной фазы (в том числе и в магнитном поле) рассматривались в работе [22]. Насколько известно автору, эта фаза не наблюдалась в экспериментах, поэтому в настоящей диссертации свойства кристаллической экситонной фазы рассматриваться не будут и упоминаем о ней здесь лишь для полноты картины.

Двумерный полуметалл и гибридные электрон-экситонные системы.

Недавнее обнаружение [23], [24] двумерного полуметалла в широких квантовых ямах на основе соединения Ы§Те, стимулировало появление ряда теоретических работ, в которых для двумерного полуметалла изучались циклотронный резонанс [25], рассеяние носителей заряда [24], [26] и плазменные колебания [27]. Рассматривались законы дисперсии элементарных возбуждений двумерного полуметалла в магнитном поле [28]. Во всех этих работах молчаливо предполага-

лось, что возбуждения имеют бесконечно большое время жизни и индивидуальные свойства элементарных возбуждений, обусловленные их распадом, теоретически в такой системе не изучались. Эти вопросы рассматриваются в Главе 3, где излагается теория затухания элементарных возбуждений бозевского типа -плазмонов - двумерного полуметалла вследствие их взаимодействия с поверхностными звуковыми волнами и теория затухания элементарных возбуждений фермиевского типа, обусловленное кулоновским взаимодействием электронов и дырок.

Другой интересной для изучения свойств элементарных возбуждений системой является гибридная структура, содержащая расположенные друг над другом электронный и экситонный газы. Такая система является полупроводниковым аналогом раствора 3Не в сверхтекучем 4Не [29],[30]. Такая структура может обладать рядом интересных свойств и представляет собой активную область исследований. В таких системах были предсказаны ряд интересных эффектов: эффекты увлечения [31], [32], наличие ротонного минимума в законе дисперсии коллективных возбуждений [33], сверхпроводимость электронов, обусловленная экситонным механизмом спаривания [34]. Вследствие кулоновского взаимодействия между электронами и экситонами, перенормируются и физические свойства элементарных возбуждений такой системы. Наиболее интересной областью является область низких температур, когда экситонный газ находится в режиме бозе-конденсата, элементарными возбуждениями которой являются квазичастицы Боголюбова, закон дисперсии которых в области больших длин волн имеет звуковой характер. Пункт четвертый Главы 3 посвящен рассмотрению вопроса о времени жизни плазмонов и электронов, а также боголюбов-ских возбуждений вследствие электрон-экситонного взаимодействия. Эффекты модуляции экситонной плотности, обусловленные модуляцией плотности электронов (электростатически наведенные фриделевские осцилляции экситонного газа) рассмотрены в четвертом разделе Главы 4.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ковалёв, Вадим Михайлович, 2017 год

Список литературы

1. Брандт Н.Б., Кульбачинский В.А. Квазичастицы в физике конденсированного состояния.- М: Физматлит, 2005

2. Эйнштейн А. Квантовая теория одноатомного идеального газа/А. Эйнштейн//УФН.- 1965. - Т.86 - C.381-403

3. Cornell E.A. Nobel lecture: Bose-Einstein condensation in a dilute gas, the first 70 years and some recent experiments/E.A. Cornell, C.E. Wieman//Rev. Mod. Phys. - 2002. - Vol.74 - P.875-893

4. Горбунов А.В. Коллективные явления в ловушках для бозе-конденсации ди-полярных экситонов: дис.... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.07/Горбунов Александр Васильевич.-М., 2015.-171 с.

5. Bernevig B.A. Quantum spin Hall effect and topological phase transition in HgTe quantum wells/Bernevig B.A., Hughes T.L., Zhang S.C.//Science. - 2006. - 314 (5806):1757-61.

6. Келдыш Л.В. Возможная неустойчивость полуматалического состояния относительно кулоновского взаимодействия/Л.В. Келдыш, Ю.В. Копа-ев//ФТТ. - 1964. - Т.6 - C.2791

7. Келдыш Л.В. Коллективные свойства экситонов большого радиуса/Келдыш Л.В., Козлов А.Н.//Письма в ЖЭТФ. - 1967. - Т.5. - С.238

8. Беляев С.Т. Применение методов квантовой теории поля к системе Бозе-частиц/С.Т.Беляев//ЖЭТФ. - 1958. - Т.34. - С.417

9. Беляев С.Т. Энергетический спектр неидеального Бозе-газа/С.Т. Беля-ев//ЖЭТФ. - 1958. - Т.34. - С.433

10. Snoke D.W. Quantum saturation of a Bose gas: Excitons in Cu2O/Snoke D.W., Wolfe J.P., Mysyrowicz A.//Phys. Rev. Lett. - 1987. - Vol.59 - P.827

11. Butov L.V. Exciton condensation in coupled quantum wells/Butov L.V.//Solid State Comm. - 2003. - Vol.127 - P.89

12. Butov L.V. Condensation and pattern formation in cold exciton gases in coupled

quantum wells/Butov L.V.//J.Phys.: Condens. Matter. — 2004. — Vol.16 — P.1577

13. Butov L.V. Cold exciton gases in coupled quantum well structures/Butov L.V.//J.Phys.: Condens. Matter. - 2007. - Vol.19 - P.295202

14. Ларионов А.В. О конденсации межъямных экситонов в GaAs/AlGaAs двойных квантовых ямах/Ларионов А.В., Тимофеев В.Б./Письма в ЖЭТФ. -2001. - Vol.73 - P.342

15. Горбунов А.В. О фазовой диаграмме бозе-конденсации диполярных экситонов в GaAs/AlGaAs гетероструктурах с квантовыми ямами/Горбунов А.В., Тимофеев В.Б.//Письма в ЖЭТФ. - 2012. - Vol.96 - P.145

16. Лозовик Ю.Е. О возможности сверхтекучести разделенных в пространстве электронов и дырок; новый механизм сверхпроводимости/Лозовик Ю.Е., Юдсон В.И.//Письма в ЖЭТФ. - 1975. - Т.22. - С.556

17. Rudolph J. Long-Range Exciton Transport by Dynamic Strain Fields in a GaAs Quantum Well/Rudolph J., Hey R., Santos P.V.//Phys. Rev. Lett. - 2007. -Vol.99 - P.047602

18. Dynamics of indirect exciton transport by moving acoustic fields/Violante A., Cohen K., Lazic S., Hey R., Rapaport R., Santos P.V.//New J. Phys. - 2014. -Vol.16 - P.033035

19. Scalable interconnections for remote indirect exciton systems based on acoustic transport/Lazic S., Violante A., Cohen K., Hey R., Rapaport R., Santos P.V.//Phys. Rev. B. - 2014. - Vol.89 - P.085313

20. Polariton Condensation in Dynamic Acoustic Lattices/E. A. Cerda-Mendez, D. N. Krizhanovskii, M. Wouters, R. Bradley, K. Biermann, K. Guda, R. Hey, P. V. Santos, D. Sarkar, M. S. Skolnick//Phys. Rev. Lett. - 2010. - Vol.105 -P.116402

21. Сурис Р.А. Фазовый переход газ-кристалл в двумерной системе диполярных экситонов/Р.А. Сурис//ЖЭТФ. - 2016. - Т.149 - С.695

22. Kulakovskii D.V. Collective excitations in exciton crystal/Kulakovskii D.V.,

Lozovik Yu.E., Chaplik A.V.// ЖЭТФ. — 2004. — Т.126 — С.979

23. Двумерная электронно-дырочная система в квантовой яме на основе HgTe/З. Д. Квон, Е. Б. Ольшанецкий, Д. А. Козлов, Н. Н. Михайлов, С. А. Дворецкий//Письма в ЖЭТФ. — 2008. — Т.87 — C.588

24. Процессы рассеяния в двумерном полуметалле / Е. Б. Ольшанецкий, З. Д. Квон, М. В. Энтин, Л. И. Магарилл, Н. Н. Михайлов, И. О. Парм, С. А. Дворецкий //Письма в ЖЭТФ. — 2009. — T.89 — C.338

25. Витлина Р.З. Циклотронный резонанс в двумерном полуметалле/Витлина Р.З., Магарилл Л.И., Чаплик А.В.//Письма в ЖЭТФ. — 2011. — T.93 — C.228

26. The effect of electron-hole scattering on transport properties of 2D semimetal in the HgTe quantum well / Entin M.V., Magarill L.I., Olshanetsky E.B., Kvon Z.D., Mikhailov N.N., Dvoretsky S.A. //ЖЭТФ. — 2013. — Т.144 — C.1068

27. Чаплик А.В. Плазменные колебания двумерного полуметалла/Чаплик А.В./Письма в ЖЭТФ. — 2010. — T.91 — C.201

28. Батыев Э.Г. Свойства двумерного полуметалла в сильном магнитном по-ле/Батыев Э.Г.//ЖЭТФ. — 2010. — Т.137 — C.101

29. Башкин Е.П. Магнитные свойства квантовых растворов 3Не — 4Не/Башкин Е.П., Мейерович А.Э.//УФН. — 1980. — Т.130 — C.279

30. Каган М.Ю. Ферми-газовый подход к проблеме сверхтекучести в трехмерных и двумерных растворах 3He в 4Не/Каган М.Ю.//УФН. — 1994. — Т.164 C.77

31. Лозовик Ю.Е. Эффекты увеличения в двухслойной системе пространственно-разделенных электронов и экситонов/Лозовик Ю.Е., Никитков М.В.//ЖЭТФ. — 1997. — Т.111 — C.1107

32. Лозовик Ю.Е. Кинетические свойства системы пространственно-разделенных экситонов и электронов при наличии бозе-конденсата экситонов/Лозовик Ю.Е., Никитков М.В.// ЖЭТФ. — 1999. — Т.116 — C.1440

33. Shelykh I.A. Rotons in a Hybrid Bose-Fermi System/I.A. Shelykh, T. Taylor,

A. Kavokin//Phys. Rev. Lett. - 2010. - Vol.105 - P.140402

34. Laussy F.P. Exciton-Polariton Mediated Superconductivity/F.P. Laussy, A. Kavokin, I.A. Shelykh//Phys. Rev. Lett. - 2010. - Vol.104 - P.106402

35. Chiral Bogoliubov excitations in nonlinear bosonic systems / C.-E. Bardyn, T. Karzig, G. Refael, and T. C. H. Liew // Phys. Rev. B. - 2016. - Vol.93 -P.020502

36. Ando T. Electronic properties of two-dimensional systems/T. Ando, A. B. Fowler and F. Stern//Rev. Mod. Phys. - 1982. - Vol.54 - P.437

37. Physics of Qunatum Rings//Ed. V. Fomin. Nanoscince and Technology, Springer Berlin Heidelberg, 2013.-P.199-245

38. Ковалев В.М. Поглощение поверхностных акустических волн газом двумерных непрямых дипольных экситонов/В.М. Ковалев, А.В. Чаплик//Письма в ЖЭТФ. - 2012. - Т.96 - C.865

39. Батыев Э.Г. Отклик бозе-эйнштейновского конденсата дипольных эксито-нов на статические и динамические возмущения/Э.Г. Батыев, В.М. Ковалев, А.В. Чаплик//Письма в ЖЭТФ.-2014.-Т.99-С.623

40. Ковалев В.М. Эффект увлечения экситонов поверхностной звуковой вол-ной/В.М. Ковалев, А.В. Чаплик//Письма в ЖЭТФ.--2015.--Т.101-C.194

41. Боев М.В. Rayleigh surface wave interaction with the 2D exciton Bose-Einstein condensate/М.В. Боев, В.М. Ковалев//ЖЭТФ.-2015.-^147-^1155

42. Боев М.В. Акустоэкситонные эффекты в двумерном газе дипольных экси-тонов/М. В. Боев, В. М. Ковалев, А. В. Чаплик//Письма в ЖЭТФ.-2016.-Т.104-С.203

43. Гергель В.А. Разреженный неидеальный бозе-газ в поле хаотически распределенных примесей/В.А. Гергель, Р.Ф. Казаринов, Р.А. Сурис//ЖЭТФ. -1970. - Т.58 - C.686

44. Ж.С. Геворкян, Ю.Е. Лозовик // ФТТ. - 1985. - Т.27 - C.1800

45. Лозовик Ю.Е. Магнитоэкситонное поглощение света в неоднородных квазидвумерных системах/Ю.Е. Лозовик, А.М. Рувuнский//ЖЭТФ. - 1998. -

Т.114 - С.1451

46. Лозовик Ю.Е. Сверхтекучесть "грязных" экситонов/Ю.Е Лозовик, О.Л. Берман, А.М. Рувинкий//Письма в ЖЭТФ. - 1999. - Т.69 - С.573

47. Arseyev P.I. Excitons in high magnetic fields in disordered two-dimensional systems: Weak-localization effects for composite neutral particle/P.I. Arseyev and A.B. Dzyubenko//Phys. Rev. В. - 1995. - Vol.52 - P.2261(R)

48. Арсеев П.И. Магнитотранспорт экситонов в двумерных системах: эффекты слабой локализации/П.И. Арсеев, А.Б. Дзюбенко//ЖЭТФ. - 1998. - Т.114 - С.359

49. Shapiro B. Cold atoms in the presence of disorder/Shapiro B.//J. Phys. A: Math. Theor. - 2012. - Vol.45 - P.143001

50. Келдыш Л.В. Диаграммная техника для неравновесных процес-сов/Л.В.Келдыш//ЖЭТФ. - 1964. - Vol.47 - P.1515

51. Chung M. Damping in 2D and 3D dilute Bose gases/M. Chung, A. Bhattacherjee//New J. Phys. - 2009. - Vol.11 - P.123012

52. Ковалев В.М. Акустоэкситонное взаимодействие в газе двумерных непрямых дипольных экситонов в присутствии беспорядка/В.М Ковалев, А.В. Чаплик//ЖЭТФ.-2016.-Т.149-C.578

53. Чаплик А.В. Энергетический спектр и процессы рассеяния электронов в инверсионных слоях/Чаплик А.В.//ЖЭТФ.- 1971.-т.60-с.1845-1852.

54. Chaplik A.V. Two-dimensional plasmons (2DP) and acoustic waves in crystals/A.V. Chaplik, M.V. Krasheninnikov//Surface Science.-1980.-v.98-p.533

55. Усиление нелинейного акустоэлектронного взаимодействия в фотовозбужденной плазме квантовой ямы//А.В. Каламейцев, А.О. Говоров, Х.Д. Кут-чер, А. Виксфорд//Письма в ЖЭТФ.-2000-т.72.-С.273

56. Силин В.П. К теории поглощения ультразвука в металлах/В.П. Силин//ЖЭТФ.-т.38-c.977

57. М.В. Крашенинников, М.Б. Султанов, А.В. Чаплик// ЖЭТФ. - 1979. -

т.77 - c.1636

58. А. В. Чаплик, Письма в ЖЭТФ 91, 201 (2010)

59. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Курс теоретической физики. т7 Теория упругости М.-1976

60. Р.З. Витлина, А.В. Чаплик//ЖЭТФ.- 1981.- т.81-c.1011

61. М.В. Крашенинников, А.В. Чаплик//ЖЭТФ.-1978.-^75-^1907

62. М.В. Крашенинников, А.В. Чаплик//ЖЭТФ.-1979.-т.76-с.1812

63. М.В. Крашенинников, А.В. Чаплик//ФТТ.-1979.-т.21-с.

64. Могилюк Т.И. Фермион-фермионное взаимодействие в разбавленной бозе-конденсированной газовой смеси/Т.И. Могилюк//ЖЭТФ.-2011.-т.140, 835 (2011)

65. /-band condensates in exciton-polariton lattice systems/N.Y. Kim и дрУ/Phys. Rev. B.-2014.-V.89-P.085306

66. Polariton lasing vs. photon lasing in a semiconductor microcavity/H. Deng и дрУ/Proc. Nat. Acad. Sci. USA-2003.-V.100-P.15318

67. An electrically pumped polariton laser/C. Schneider и др./ZNature.-2013.-V.497-P.348

68. Kovalev V.M. Ultrafast Exciton-Polariton Scattering Towards the Dirac Points/V.M. Kovalev, I.G. Savenko and I.V. Iorsh//J. Phys.: Condens. Matter. 2016.-V.28-P.105301

69. Ковалев В.М. Время жизни квазичастиц в двумерном полуметалле /В.М. Ковалев, А.В. Чаплик//Письма в ЖЭТФ.-2011.-т.93-в.7-с.442-445

70. Ковалев В.М. Взаимодействие поверхностной и объемной акустических волн с двумерным полуметаллом/В.М. Ковалев, А.В. Чаплик//ЖЭТФ. 2015.-т.147-с.356-362

71. Ковалев В.М. Время жизни квазичастиц в гибридной электрон-экситонной системе/В.М. Ковалев, А.В. Чаплик// Письма в ЖЭТФ.-2013. - т.98 -с.371-374

72. Stern F. Polarizability of a Two-Dimensional Electron Gas/ F. Stern//Phys.

Rev. Lett.-1967.-V.18-P.546

73. Bauer G.E.W. Excitons in the quasi-two-dimensional electron gas/G.E.W. Bauer//Phys. Rev.B.-1992.-v.45-p.9153

74. Kleinman D.A. Theory of excitons in semiconductor quantum wells containing degenerate electrons or holes/D.A. Kleinman//Phys. Rev.B.-1985.-v.32-p.3766

75. D.V Kulakovsky, S.I. Gubarev, Yu.E. Lozovik//JETP Lett.-2001.-v.74-p.118

76. Control of Exciton Fluxes in an Excitonic Integrated Circuit/A.A. High и др.//Science.—2008.-V.321-P.229

77. Trapping Indirect Excitons in a GaAs Quantum-Well Structure with a Diamond-Shaped Electrostatic Trap/A.A. High, A.K. Thomas, G. Grosso, M. Remeika, A.T. Hammack, A.D. Meyertholen, M.M. Fogler, L.I. Butov, M. Hanson, A.C. Gossard//Phys.Rev.Lett.-2009.-v.103-p.087403

78. Excitonic switches operating at around 100 K/G. Grosso, J. Graves, A.T. Hammack, A.A. High, L.V.Butov, M. Hanson, A.C. Gossard// Nature Photonics.-2009.-v.3-p.577

79. Gumbs G. Tunneling density of states and plasmon excitations in double-quantum-well systems/G. Gumbs, G.R. Aizin// Phys.Rev.B-1995.-v.51-p.7074

80. Visscher P.B. Falicov Dielectric Screening in a Layered Electron Gas/P.B. Visscher and L.M. Falicov//Phys. Rev.B.-1971.-v.3-p.2541

81. Питаевский Л. П. Конденсация Бозе-Эйнштейна в магнитных ловушках. Введение в теорию/Л.П. Питаевский//УФН. - 1998. - v.168 - p.641-653

82. Питаевский Л П Конденсаты Бозе-Эйнштейна в поле лазерного излучения //УФН 176 345-364 (2006)

83. Ландау Л.Д., Лифшиц E.M. Курс теоретической физики. т.9 Статистическая физика. Часть 2. M-Наука, 1976

84. Ковалев В.М. Эффекты экранирования и осцилляции Фриделя в наноструктурах с квантовыми ямами/В.М. Ковалев, А.В. Чаплик//ЖЭТФ. -2008.-

т.134—c.980-987

85. Kovalev V.M. Electrostatic screening in nanostructures with multicomponent electron plasma/V.M. Kovalev and A.V. Chaplik//Journal of Physics: Conference Series.—2008.—V.129—P.012007

86. Ковалев В.М. Экранирование статического возмущения в системе диполь-ных экситонов/В.М. Ковалев, А.В. Чаплик//Письма в ЖЭТФ. — 2010. — т.92 — с.208-211

87. Ковалев В.М. Модуляция плотности экситонов в гибридной электрон-экси-тонной системе/В. М. Ковалев, А.В. Чаплик//Письма в ЖЭТФ. — 2011. — т.94. — с.601-604

88. Electrostatic screening and Friedel oscillations in nanostructures/A.V. Chaplik, V.M. Kovalev, L.I. Magarill and R.Z. Vitlina//Journal of Superconductivity and Novel Magnetism — 2012. —v.25—p.699-709

89. The one-dimensional hydrogen atom in momentum representation/Nunez Yepez H.N., Vargas C.A., Salas Brito A.L. //Eur. J. Phys. — 1987. —v.8 —p.189

90. Ландау Л.Д., Лифшиц E.M. Курс теоретической физики. т.3 Квантовая механика. Нерелятивистская теория. M-Наука, 1976

91. Киттель Ч. Квантовая теория твердых тел М: Наука, 1967

92. Лозовик Ю.Е. Магнитоэкситонное поглощение света в неоднородных квазидвумерных системах/Лозовик Ю.Е., Рувинский А.М.//ЖЭТФ. — 1998. —Vol.114 — p.1451

93. Лозовик Ю.Е. Магнитоэкситонное поглощение в связанных квантовых ямах/Лозовик Ю.Е., Рувинский А.М.//ЖЭТФ. —1997.—Vol. 112—p.1791

94. Горьков Л.П. К теории экситона Мотта в сильном магнитном поле/Горьков Л.П., Дзялошинский И.Е.//ЖЭТФ. —1968—V.53—p.717

95. Лернер И.В. Экситон Мотта в квазидвумерном полупроводнике в сильном магнитном поле/Лернер И.В., Лозовик Ю.Е.//ЖЭТФ.—1980.—Vol.78—p.1167

96. Yudson V.I. Charged "Few-Electron-Single Spatially Separated Hole"

Complexes in a Double Quantum Well near a Metal Plate/V.I. Yudson//Phys. Rev. Lett. - 1996 - Vol.77 - P.1564

97. Yu. E. Lozovik and A. M. Ruvinsky //Solid State Phys. - 1997 - Vol.39 -P.1981

98. Observation of Magnetically Induced Effective-Mass Enhancement of Quasi-2D Excitons/L. V. Butov, C. W. Lai, D. S. Chemla, Yu. E. Lozovik, K. L. Campman, and A. C. Gossard //Phys. Rev. Lett. - 2001. - Vol.87 - P.216804

99. Quasi-two-dimensional excitons in finite magnetic fields/Yu. E. Lozovik, I. V. Ovchinnikov, S. Yu. Volkov, L. V. Butov, and D. S. Chemla//Phys. Rev. В -2002. - Vol.65 - P.235304

100. Ю.Е. Лозовик, A.M. Рувинский // ФТТ - 1997 - Т.76 - C.2220

101. Кулаковжий Д.В. Заряженные многочастичные комплексы: свойства непрямого триона/Д. В. Кулаковжий, Ю. Е. Лозовик//Письма в ЖЭТФ. - 2002. - Т.76 - C.598

102. Говоров А.О. Многозарядные магнитоэкситоны в низкоразмерных структурах/А. О. Говоров, А. В. Чаплик//Письма в ЖЭТФ. - 1997. - Т.66 -C.423

103. Бычков Ю.А. Двумерные электроны в сильном магнитном поле/Ю. А. Бычков, С. В. Иорданский, Г. М. Элиашберг//Письма в ЖЭТФ. - 1981. -Т.33 - C.152

104. Chaplik A.V. Magnetoexcitons in quantum rings and in antidots/Chaplik A.VV/Письма в ЖЭТФ.-1995.-v.62-p.885

105. Чаплик А.В. Эффект Аронова-Бома для составных частиц и коллективных возбуждений/Чаплик А.В.//Письма в ЖЭТФ. -2002.-т.75 - с.343

106. Romer R.A. Aharonov-Bohm effect for an exciton/R.A. Romer and M.E. Raikh//Phys. Rev. B. 2000.v.62 -p.7045

107. Polarized excitons in nanorings and the optical Aharonov-Bohm effect/A. O. Govorov, S. E. Ulloa, K. Karrai, R. J. Warburton //Phys. Rev. B. -2002. -v.66 -p.081309

108. Ведерников А.И. Плазменные колебания в нанотрубках и эффект Ааронова-Бома для плазмонов/Ведерников А.И., Говоров А.О., Чаплик А.В.//ЖЭТФ.—2001.—Т.120—С.979

109. Bogachek E. N. Aharonov-Bohm effect and plasma oscillations in superconducting tubes and rings/E. N. Bogachek, I. A. Romanovsky, U. Landman//Phys. Rev. B. — 2008. —v.78—p.174515

110. Tan W.-C. Landau quantization and the Aharonov-Bohm effect in a two-dimensional ring/W.-C. Tan, J.C. Inkson//Phys. Rev. B. —1996.—V.53—P.6947

111. Tan W.-C. Magnetization, persistent currents, and their relation in quantum rings and dots/W.-C. Tan and J. C. Inkson//Phys. Rev. B. — 1999. — v.60 — p.5626

112. Schulz H.J. Fermi liquids and Luttiger liquids, in Field theories for Low-Dimensional systems, Eds. G.Marandy et al., Springer, 2000

113. Chaplik A.V. New verions of the Aharonov-Bohm effect in Quantum Rings/A.V. Chaplik, V.M. Kovalev//Physics of Qunatum Rings. Ed. V. Fomin. Nanoscince and Technology, Springer Berlin Heidelberg, 2013.—P.199-245

114. Kovalev V.M. Fine structure of the exciton luminescence in quantum ring under external electromagnetic radiation/V.M. Kovalev, A.V. Chaplik//Europhysics Letters. — 2007. —v.77 —p.47003

115. Ковалев В.М. Kомпозитные частицы в квантовых ямах/В.М. Ковалев, А.В. Чаплик// Письма в ЖЭТФ.— 2008.— т.88 —с.527-530

116. Ковалев В.М. Эффект Ааронова-Бома для плазмонов в квантовом кольце конечной ширины/В.М. Ковалев, А.В. Чаплик//Письма в ЖЭТФ. — 2009. —т.90 — с.753-755

117. Ковалев В.М. Неупругое рассеяние света дипольными экситонами/В.М. Ковалев, А.В. Чаплик//Письма в ЖЭТФ.— 2011. — т.94 —с.339-342