Bezpośredni pomiar rozszczepienia stanów jonu Co 2+ w zerowym polu w kropce kwantowej CdTe/ZnTe J. Kobak, T. Smoleński, M. Papaj, A. Golnik, W. Pacuski Instytut Fizyki Doświadczalnej, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski, ul. Pasteura 5, 02-093 Warsaw, Polska Prezentujemy magnetooptyczne badania wpływu naprężenia w kropce kwantowej na umieszczony w niej jon Co 2+. W niskotemperaturowych pomiarach mikrofotoluminescencji kropek kwantowych CdTe/ZnTe z pojedynczymi jonami Co 2+ [1], podobnie do kropek kwantowych CdTe/ZnTe z pojedynczymi jonami Mn 2+ [2,3], zaobserwowaliśmy charakterystyczne rozszczepienie linii neutralnego ekscytonu na cztery linie odpowiadające czterem możliwym rzutom spinu jonu Co 2+ na oś kwantyzacji: ±3/2, ±1/2 [1]. Jednak w odróżnieniu od kropek z pojedynczymi jonami Mn 2+ intensywności linii emisyjnych związanych z różnymi stanami spinowymi jonu Co 2+ kwantowej z pojedynczym jonem Co 2+ znacząco różnią zewnętrznym polu magnetycznym. się od siebie. Powodem tych różnic jest występowanie niezerowego momentu orbitalnego dla jonu kobaltu (w przeciwieństwie do jonu manganu), w wyniku którego stan podstawowy Co 2+ jest rozszczepiony w zerowym polu magnetycznym na stany o rzucie spinu +/-3/2 oraz +/-1/2. Analiza ewolucji położeń energetycznych oraz intensywności czterech głównych linii emisyjnych neutralnego ekscytonu w polu magnetycznym oraz symulacje teoretyczne (rys. 1) pozwoliły nam wyznaczyć kierunek anizotropii jonu Co 2+ oraz zrozumieć wpływ różnych oddziaływań na ewolucję układu ekscyton jon kobaltu w polu magnetycznym. Pomiary fotoluminescencji w funkcji mocy pobudzania oraz temperatury potwierdziły, że typowe rozszczepienie stanów kobaltu w zerowym polu mieści się w przedziale od 0.5 do 3 mev, ale bardzo precyzyjne wyznaczenie okazało się być utrudnione na skutek występowania w układzie temperatury efektywnej istotnie różnej od temperatury sieci. W celu precyzyjnego wyznaczenia wartości rozszczepienia stanów jonu Co 2+ w zerowym polu magnetycznym przeprowadziliśmy magnetooptyczne i teoretyczne badania bardzo słabych, częściowo dozwolonych przejść optycznych, dla których stan początkowy różni się od stanu końcowego jonu kobaltu (rys. 2). Dla takich linii, rozszczepienie stanów Co 2+ może zostać precyzyjnie odczytane bezpośrednio z widma emisji. [1] J. Kobak et al., Nature Communications 5, 3191 (2014). [2] L. Besombes et al., Phys. Rev. Lett. 93, 207403 (2004). [3] M. Goryca et al., Phys. Rev. Lett. 103, 087401 (2009). Rys. 1: Symulacja niemal idealnie odtwarza ewolucję neutralnego ekscytonu w kropce w Rys. 2: Schemat przejść ekscytonowych. Różnica energii pomiędzy głównymi, silnymi liniami a słabymi liniami (czerwone i zielone) wyznacza bezpośrednio parametr anizotropii (2D) jonu Co 2+.
Improvement of the extraction efficiency for the light emitted by CdTe/ZnTe quantum dots K. Sawicki, W. Pacuski, M. Nawrocki and J. Suffczyński Institute of Experimental Physics, Faculty of Physics, University of Warsaw, Pasteura 5 St., PL-02-093 Warsaw, Poland The current, intensely developed field of nanoscience is related to increasing of quantum yield of nanoemitters. In particular, a lot of efforts is paid to boost the light extraction from quantum dots (QDs) by micropatterning [1,2] of the sample in order to limit the total internal reection from the sample surface. Our aim is to apply micropost geometry in order to efficiently extract the light from CdTe/ZnTe QDs, which, made of II-VI compounds, offers large exciton oscillator strength attractive for photonic applications. In our recent work [3] we have demonstrated single color, in-situ photolithography marking of the individual QD position in the sample produced by molecular beam epitaxy. In this method, sample surface is covered with a photoresist and QD position is determined by microphotoluminescence mapping. Next a spot of photoresist is exposed forming a marker on the sample surface exactly above the selected QD. We have checked that the markers act as a durable protection of the sample against etching with a beam of gallium ions with standard current and acceleration voltage values (see figure (a)). In consequence it enables preparation of mesa structures like micropillars or photonic trumpets with the selected QD located precisely in their center. Thanks to its versatility, the photolithographic technique presented here could be applied to a wide range of nanoemitters. Focused ion beam etching has (a) Micropost containing selected QD etched using photoresist mark as a protection mask. (b) FDTD simulation od QD emitted light propagation for two different micropost geometries (see text). Position of the QD is indicated. advantage over the other etching methods, as it gives more ability of tailor of microstructure shape. In parallel, we perform systematic FDTD simulations in order to determine optimal shape of micropost etched around selected QD. We calculate the distributions of electric field amplitudes, power flow and absorption for consecutive micropost geometries. Two examples of cross-section simulations of distribution of electric field amplitude for standard and basetapered micropillar structure are shown in figure (b). For the case of standard structure we find low light extraction in the direction parallel to the micropost axis. However, for the tapered structure light extraction is clearly higher. This shows that optimization of the microstructure shape enables reducing of propagation losses and directing of the light. [1] J. Claudon et al., Nature Photon. 4, 174 (2010). [2] W. Pacuski et al., Cryst. Growth Des. 14, 988 (2014). [3] K. Sawicki et al., Appl. Phys. Lett. 106, 012101 (2015).
Relaksacja pojedynczego jonu Co 2+ w kropce kwantowej CdTe K. Oreszczuk, A. Bogucki, M. Goryca, T. Kazimierczuk, T. Smoleński, K. Kobak, W. Pacuski, P. Kossacki Instytut Fizyki Doświadczalnej, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski, ul. Pasteura 5, 02-093 Warszawa Kropka kwantowa z pojedynczym jonem magnetycznym to modelowy system umożliwiający badanie oddziaływania jonu z półprzewodnikowym otoczeniem. Do niedawna jedynymi tego typu badanymi systemami były kropki kwantowe CdTe oraz InAs z pojedynczym jonem manganu [1, 2]. W przypadku kropek CdTe wyznaczone zostały mechanizmy i czasy optycznej orientacji i relaksacji jonu. Zbadane zostały również zależności tych czasów od istotnych parametrów, w szczególności zależność czasu relaksacji od wartości pola magnetycznego. Jak niedawno pokazano, kropki CdTe i InAs z jonami manganu nie są jedynymi możliwymi do wytworzenia kropkami z pojedynczymi jonami magnetycznymi [3]. W niniejszej pracy zaprezentowano wyniki badań kropek kwantowych CdTe z pojedynczymi jonami kobaltu. W szczególności zademonstrowano możliwość optycznej orientacji takich jonów oraz zbadano proces relaksacji jonu w polu magnetycznym przy braku pobudzania kropki kwantowej. Kropki kwantowe z pojedynczym jonem kobaltu wytworzono metodą epitaksji z wiązek molekularnych. W celu odczytania stanu jonu rejestrowano luminescencję kropki w określonej polaryzacji kołowej. Jon magnetyczny był ustawiany w pożądanym stanie kwantowym poprzez wstrzykiwanie do kropki kwantowej odpowiednio spolaryzowanych ekscytonów. W tym celu wykorzystano quasi-rezonansowe pobudzanie kropki za pomocą spolaryzowanego kołowo światła laserowego [4, 5]. Czas relaksacji jonu kobaltu wyznaczono wyłączając pobudzanie na określony czas, w trakcie którego jon magnetyczny powracał do stanu równowagi termodynamicznej. Odczyt widma w chwili tuż po ponownym włączeniu pobudzania pozwalał na określenie stopnia, w jakim relaksacja nastąpiła. Otrzymane czasy są zgodne dla różnych kropek z jonem kobaltu i silnie zależą od pola magnetycznego, podobnie jak to miało miejsce w przypadku kropek CdTe z jonami manganu. Czasy relaksacji kobaltu są jednak krótsze o około rząd wielkości od czasów relaksacji manganu. Fakt ten może istotnie pomóc w zrozumieniu mechanizmu relaksacji pojedynczego jonu magnetycznego w półprzewodnikowej kropce kwantowej. [1] L. Besombes et al., Phys. Rev. Lett. 93, 207403 (2004). [2] A. Kudelski et al., Phys. Rev. Lett. 99, 247209 (2007). [3] J. Kobak et al., Nat. Commun. 5, 3191 (2014). [4] T. Kazimierczuk et al., Phys. Rev. B 79, 153301 (2009). [5] M. Goryca et al., Phys. Rev. Lett. 103, 087401 (2009).
Dynamika splątania dwóch singletowo-trypletowych kubitów w strukturze GaAs-AlGaAs Igor Bragar i Łukasz Cywiński Środowiskowe Laboratorium Badań Kriogenicznych i Spintronicznych, Instytut Fizyki PAN, Warszawa Gdy dwa elektrony znajdują się w dwóch sprzężonych kropkach kwantowych, ich niskoenergetyczne stany to singlet i trzy stany trypletowe. Kontrolowanie oddziaływania wymiennego pomiędzy elektronami [1] w obecności gradientu pola magnetycznego pomiędzy kropkami [2] umożliwia inicjalizację, koherentną manipulację i odczyt stanów z podprzestrzeni rozpiętej przez singlet (S) i niespolaryzowany spinowo tryplet (T 0 ). Podprzestrzeń ta definiuje więc kubit singletowo-trypletowy (S-T 0 ). W ostatnich latach zademonstrowano, że w doświadczeniu jest możliwe wykonanie procedury splątującej dwa kubity S-T 0 [2]. Niemniej jednak stany otrzymane w doświadczeniu nie były maksymalnie splątane przez szum pochodzący z otoczenia obu kubitów stany te były częściowo zmieszane. Omówimy analizę teoretyczną czynników, które nie pozwalają otrzymać maksymalnie splątanych stanów dwóch kubitów S-T 0. W szczególności rozpatrzymy, jak na wydajność procedury splątującej wpływają fluktuacje gradientu efektywnego pola magnetycznego (pochodzącego od spinów jądrowych pola Overhausera) między dwoma kropkami kwantowymi ( B z ) oraz wpływ fluktuacji energii rozszczepienia wymiennego (J) między stanami S i T 0. Rozpatrzymy najpierw wpływ tych dwóch czynników na ewolucję swobodną (ang. free induction decay, FID) oraz na sygnał echa spinowego pojedynczego kubitu S-T 0. Okazuje się, że nawet kwazistatyczne fluktuacje B z lub J prowadzą do całkowitego zaniku sygnału w przypadku ewolucji swobodnej, natomiast dla echa spinowego sygnał jest zmniejszony proporcjonalnie do poziomu kwazistatycznych fluktuacji. Analiza procedury splątującej dwa kubity [3], w której sekwencja echa spinowego była stosowana w celu zmniejszenia wpływu szumu otoczenia, pokazuje, że główną przeszkodą w otrzymaniu silnie splątanych stanów są fluktuacje sprzężenia dwóch kubitów J 12 ~ J 1 J 2, które nie mogą być usunięte przy pomocy echa spinowego. Przedstawimy obliczenia numeryczne i analityczne dekoherencji i zaniku splątania, spowodowanych przez fluktuacje B z oraz J. Badania te zostały sfinansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki (NCN), grant nr DEC-2012/07/B/ST3/03616. [1] J. R. Petta et al., Science 309, 2180 (2005). [2] S. Foletti et al., Nat. Phys. 5, 903 (2009). [3] M. D. Shulman et al., Science 336, 202 (2012).
Influence of magnetic field on lasing action of semimagnetic polaritons in (Cd,Zn,Mg)Te based microcavities J.-G. Rousset, B. Piętka, T. Kazimierczuk, M. Goryca, J. Suffczyński, P. Kossacki, A. Golnik, M. Nawrocki, W. Pacuski Institute of Experimental physics, Faculty of Physics, University of Warsaw, Poland In the past fifteen years, investigations on cavity polaritons led to the observation of several fundamental physical phenomena like Bose Einstein condensation of polaritons, or superfluidity. In this multidirectional field of research, a particular interest has arisen from polaritons spin related effects theoretically discussed in [1]. Investigations provided on GaAs based microcavities lead to the observation of the vanishing and sign change of the Zeeman splitting [2] that could be interpreted as a spin Meissner effect [3]. In this work, we studythe influenceof the magnetic field on lasing in the strong coupling regimein a new microcavity structure specially designed for the study of semimagnetic cavity polaritons. In opposite to previous telluride based microcavity structures [4], the Mn free DBRs are made of (Cd,Zn,Mg)Te layers lattice matched to MgTe [5] embedding lattice matched dilute magnetic semiconductor (Cd,Zn,Mn)Te QWs (Fig.1). In such a structure, the sp-d exchange interaction between magnetic ions and the carriers in the QWs results in an enhancement of the magneto-optical effects such as the giant Zeeman splitting. In our structure, the cavity polaritons resulting from the strong exciton photon coupling deserve then the denomination of semimagnetic cavity polaritons. Angle resolved PL measurement shown in Fig. 2 evidence the possibility of switching from linear regime to polariton lasing by use of magnetic field under constant excitation power.in magnetic field, we observe a change of the excitation power forlasing threshold by one order of magnitude. a) [1]D. D. Solnyshkov et al., Phys. Rev. B 78, 165323 (2008). [2] A.V. Larionov et al., Phys. Lett. 105, 256401 (2010). [3] J. Fischer et al., Phys. Lett. 112, 093902 (2014). [4] H. Ulmer-Tuffigo et al., Superlattices and Microstructures 22, 383 (1997). [5] J.-G. Rousset et al., Journal of Crystal Growth 378, 266 (2013).
Epitaxially grown coupled ZnTe planar microcavities M. Ściesiek 1, W. Pacuski 1, J.-G. Rousset 1, M. Parlińska-Wojtan 2, J. Suffczyński 1, and A. Golnik 1 1 Institute of Experimental Physics, Faculty of Physics, University of Warsaw, Warsaw, Poland 2 Facility of Electron Microscopy & Sample Preparation, Center for Microelectronics and Nanotechnology, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, University of Rzeszow, Rzeszow, Poland Coupled photonic structures have recently attracted much attention, mostly due to perspective of applications in fields of quantum information and laser technology. We demonstrate results of spectroscopy experiment on samples containing two epitaxially grown coupled planar ZnTe microcavities. The structures are designed by Transfer Matrix Method calculations and characterized by scanning transmission electron microscopy. After the ZnTe buffer layer growth, a Distributed Bragg Reflector (DBR) consisting of ZnTe (as a high refractive index material) and MgSe/ZnTe/MgTe/ZnTe superlattice (as a low refractive index material) is grown. Next, two cavities separated by 6 or 12 DBR pairs are grown with mutually perpendicular gradient of the cavities thicknesses. This enables continuous change of the detuning between energies of the cavities by adjustment of the position on the sample. The upper microcavity contains a layer of CdTe Quantum Dots and is covered with 16 DBR pairs (see Figure 1). Scanning transmission electron microscopy using highangle annular dark field imagining is carried out with acceleration voltage of 200 kev and point resolution of ~1.36Å. Photoluminescence (Eexc = 3.06 ev) and reflectivity (T = 10 K and T = 300 K) mapping measurements are performed with spatial resolution down to 0.05 mm and scanned area covering a whole surface of 2-inch wafer. The optical spectra reveal two cavity modes. Linewidths of Figure 1: STEM micrographs of the sample in consecutive magnifications Figure 2: Energy of two optical modes as a function of spatial position on the sample. the modes equal to 0.7 mev point toward quality factor of the cavities Q 900. Energies of the modes and edges of the DBR stopband are determined as a function of the position on the sample. The energies found in the reflectivity agree well with the ones found in the photoluminescence. In regions of the sample, where cavities modes are strongly detuned the modes shift independently of each other when the position on the sample is varied. However, in a region, where cavity modes are in resonance, a clear anticrossing of the modes is visible (see Figure 2), proving their interaction. The exchange of the modes intensity in the resonance vicinity is observed, as predicted by the calculations. Energy splitting in resonance as large as 45 mev is found when cavities are separated with 6 DBR pairs. As expected, the splitting drops down to 17 mev when the separation is increased to 12 DBR pairs, indicating a possibility of control of the modes interaction strength.
Wpływ temperatury i grubości otoczki na dynamikę fotoluminescencji w nanodrutach typu rdzeń/otoczka ZnTe/ZnMgTe M. Szymura 1, A. Mitioglu 2, Ł. Kłopotowski 1, P. Płochocka 2, P. Wojnar 1, G. Karczewski 1, T. Wojtowicz 1, J. Kossut 1 1 Instytut Fizyki, PAN, Warszawa, Polska 2 Narodowe Laboratorium Wysokich Pól Magnetycznych, UPR 3228, CNRS-UJF-UPS-INSA, Grenoble i Tuluza, Francja Nanodruty (NW) cieszą się dużym zainteresowaniem ze względu na praktyczne wykorzystanie tych struktur m.in. w kwantowej technologii informacyjnej czy urządzeniach optoelektronicznych takich jak: diody elektroluminescencyjne, lasery i tranzystory o wysokiej ruchliwości elektronów. W celu osiągnięcia wysokiej wydajności tych urządzeń, niezbędne jest zrozumienie dynamiki rekombinacji ekscytonów w systemach jednowymiarowych. Zmierzono fotoluminescencję (PL) rozdzieloną w czasie na zespole nanodrutów, a także na drutach pojedynczych. NWs zostały wyhodowane za pomocą epitaksji z wiązek molekularnych, z wykorzystaniem mechanizmu wzrostu para-ciecz-ciało stałe (VLS). Wyhodowano nanodruty ZnTe z różną grubością otoczki ZnMgTe: 3 nm., 8 nm., 11 nm. i 14 nm. Następnie przy użyciu izopropanolu i ultradźwięków sporządzono próbki z pojedynczymi nanodrutami. Fotoluminescencja rozdzielona w czasie była pobudzana światłem o długości fali 505 nm. z optycznego oscylatora parametrycznego (OPO), który był pompowany impulsowym femtosekundowym laserem szafirowo-tytanowym. Wiązkę pobudzającą skupiano obiektywem mikroskopu do plamki o średnicy 2 μm. Detektorem była kamera smugowa o rozdzielczości czasowej ok. 10 ps. Pomiary przeprowadzono w funkcji temperatury w zakresie od 5 K do 100 K, a także w zależności od grubości otoczki. Zbadano wpływ temperatury i grubości otoczki na czas życia ekscytonów. Stwierdzono, że czas życia PL zwiększa się wraz ze wzrostem grubości otoczki, w wyniku zmniejszenia prawdopodobieństwa tunelowania nośników z rdzenia do nieradiacyjnych stanów pułapkowych. Zanik pochodzący od zespołu nanodrutów posiadał dwie składowe. Krótka pochodziła z rekombinacji promienistej oraz wychwytu nośników przez stany pułapkowe, długa zaś z powrotu ekscytonów ze stanów pułapkowych do stanów radiacyjnych. Wraz ze wzrostem temperatury zaobserwowano znaczne skrócenie czasu życia PL związane z aktywacją termiczną nieradiacyjnych procesów rekombinacji nośników. Zaniki PL opisano modelem, który pozwolił na wyznaczenie temperaturowej zależności czasów opisujących te procesy. Badania były finansowane przez Narodowe Centrum Nauki Grant Nr 2011/01/D/ST5/05039.
Niskotemperaturowa technologia wytwarzania mikro mostków Halla ze studni kwantowych HgTe/(Hg,Cd)Te M. Majewicz 1, G. Grabecki 1;2, P. Nowicki 1, Ł. Szyller 3, J. Wróbel 1;3, M. Zholudev 4;5, V. Gavrilenko 5, N. N. Mikhailov 6, S. A. Dvoretskii 6, W. Knap 4, F. Teppe 4 and T. Dietl 1;7;8 1 Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk, Warszawa, Polska 2 Wydział Matematyczno-Przyrodniczy, Szkoła Nauk Ścisłych, Uniwersytet Kardynała Stefana Wyszyńskiego, Warszawa, Polska 3 Wydział Matematyczno-Przyrodniczy, Uniwersytet Rzeszowski, Rzeszów, Polska 4 L2C, UMR No5221 CNRS, Université Montpellier 2, GIS-TERALAB Montpellier, France 5 Institute for Physics of Microstructures, Russian Academy of Sciences, GSP-105, Nizhny Novgorod, Russia 6 Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Russia 7 Instytut Fizyki Teoretycznej, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski, Warszawa, Polska 8 WPI-Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR), Tohoku University, Sendai, Japan Pierwsze doświadczenia wskazujące na obecność kwantowego spinowego zjawiska Halla, a więc na istnienie topologicznych stanów krawędziowych w mikrostrukturach wykonanych ze studni kwantowych HgTe/(Hg,Cd)Te przeprowadzono już prawie 8 lat temu[1]. Pomimo tak długiego czasu nie udało się dotychczas uzyskać wyników o lepszej dokładności kwantyzacji w tym układzie [2, 3]. Jedną z przyczyn może być duża wartość współczynnika interdyfuzji w heterostrukturach z HgTe, co może prowadzić do rozmycia międzypowierzchni studni kwantowych i pogorszenia ich jakości [4]. Stwierdzono, że wszystkie procesy mikrostrukturyzacji powinny być przeprowadzane w temperaturach nie przekraczających 85 C, czyli w przybliżeniu o 100 C niższych niż w przypadku zastosowania standardowej technologii. W obecnej prezentacji zostaną przedstawione modyfikacje technologiczne umożliwiające otrzymanie mikrostruktur wytworzonych ze studni kwantowych HgTe/(Hg,Cd)Te w temperaturach poniżej 85 C. Okazało się, że zastosowanie w litografii elektronowej rezystów przygotowywanych w niskiej temperaturze pozwala na wytworzenie masek o dobrej jakości, które z powodzeniem zastosowano do trawienia mokrego oraz w połączeniu z techniką lift-off do wytworzenia warstw dielektrycznych i elektrod (bramek) metalicznych do sterowania koncentracją nośników. Bramki naświetlano stosując niskie napięcia przyspieszające (5-7 kv), co pozwoliło uniknąć nagrzewania kluczowych obszarów struktury. Zastosowano konfigurację bramek pozwalającą zminimalizować prawdopodobieństwo elektrycznego przebicia przez dielektryk doprowadzenia elektryczne umiejscowiono ponad trawionymi liniami separującymi. Rozwinięto również niskotemperaturową metodę wytwarzania kontaktów elektrycznych: złote druciki wciskano w grudki indu umiejscowione na niewygrzewanych polach kontaktowych GeAu/Ti/Au. Stosując te ulepszenia udało się wytworzyć mostki Halla o wymiarach 1 µm 1 µm pokryte metalicznymi bramkami. [1] M. König et al., Science 318, 766 (2007); A. Roth et al., Science 325, 294 (2009). [2] G. M. Gusev et al., Phys. Rev. B 89, 125305 (2014); Phys. Rev. Lett. 114, 126802 (2015). [3] G. Grabecki et al. Phys. Rev. B 88, 165309 (2013). [4] M. Majewicz et al., Acta Phys. Pol. A 126, 1174 (2014).
Thermally evaporated HgTe layers as planar ohmic contacts for CdTe and CdMnTe quantum wells D. Śnieżek 1, P. Nowicki 1, T. Wojciechowski 1, E. Bobko 2, G. Grabecki 1, T. Wojtowicz 1, A. Mycielski 1 and J. Wróbel 1,2 1 Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, al. Lotników 32/46, 02-668 Warszawa, Poland 2 Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Rzeszów University, al. Rejtana 16A, 35-959 Rzeszów, Poland Modulation doped CdMgTe/Cd(Mn)Te structures combine the high mobility of two dimensional electron gas (2DEG) with extremely large and tunable Lande g-factor, which makes such quantum wells the material of choice for the fabrication of ballistic spintronic nanodevices. However, the difficulty of making electrical connections to 2DEG for these materials remains the main obstacle towards studies of quantum transport on a sub-micron scale. Typically, the electrical connections to Cd(Mn)Te quantum wells are obtained with macroscopic indium contacts, which are burnt-in or soldered directly to the surface of large contact pads. However, such procedures are not fully reproducible and clearly, they are not compatible with e-beam lithography. Recently we have proposed a new method of electrical micro-contact formation, based on the local melting and annealing of an indium metal layer, performed with the application of focused electron beam [1]. While it provided a better control over size, shape and location of metal pads, the contact resistance at low temperatures remained in the kω range. Fig.1 Scanning Electron Microscope (SEM) image of thin (450 ± 50 nm) HgTe layer evaporated on cooled (77 K) Si substrate. Furthermore, indium layers are not suitable for ultrasonic bonder machines, therefore in this work we turned to the mercury telluride (HgTe) zero-gap semiconductor as a lowresistivity contact material, which was previously successfully applied to bulk p type CdMnTe samples [2]. We report on the properties of planar ohmic contacts fabricated by thermal evaporation of mercury telluride on the CdMgTe/Cd(Mn)Te quantum well structures. After evaporation, the HgTe surface was covered with Cr/Au metal layer and heated locally with soldering iron. We present a detailed study of contact current voltage ( IV) characteristics, obtained at low temperatures (T = 1.7 K) for low source-drain voltage range as a function of in-plain magnetic field. We discuss the optimal process parameters such as HgTe layer thickness and quantum well surface preparation and in particular show that the lowest contact resistances (Rc. 100 Ω) are obtained when HgTe is evaporated on substrates cooled with liquid nitrogen (see Fig. 1). In this case contact material is almost perfectly stoichiometric. The research was partially supported by National Science Centre (Poland) under the grant DEC-2012/06/A/ST3/00247 and Regional Development Program (Poland), grant WND- RPPK. 01.03.00-18-053/12. [1] M. Majewicz, D. Śnieżek, T. Wojciechowski, E. Baran, P. Nowicki, J. Wróbel and T. Wojtowicz, Acta Phys. Pol. A 126, 1174 (2014). [2] J. Jaroszyński, T. Dietl, M. Sawicki and E. Janik, Physica 117B & 118B, 473 (1983).
Reflectivity and Photoluminescence in Magnetic Field of Fe doped Nanocrystalline Zinc Oxide J. Papierska 1, E. Chikoidze 2, M. Boshta 3, H.-J.von Bardeleben 4,Y. Dumont 2,M. M. Gomaa 3, G. Kowalski 1, M. Tokarczyk 1, W.Pacuski 1, M. Nawrocki 1,and J. Suffczyński 1 1 Faculty of Physics, University of Warsaw, Warsaw, Poland 2 Grouped Etudes de la MatiereCondensee (GEMaC), Universite de Versailles St-Quentin en Yvelines CNRS, Versailles, France 3 Solid State Physics Department, National Research Center, El-Behooth st.,12622 Dokki, Giza, Egypt 4 Sorbonne Universités, UPMC Université Paris 06, UMR7588, Institut des Nanosciences de Paris, F-75005, Paris, France Ultra long spin coherence time (>150 μs) found recently for Fe 3+ ions in ZnO[1] makes Fe doped ZnO one of the most promising, but still unexplored spintronic systems. The long relaxation time [1] suggests that Fe 3+ ions in ZnO are decoupled from their environment. Hence, a question arises: do Fe 3+ ions couple to band carriers by s,p-d exchange interaction? The studied nanocrystalline ZnO layers with Fe ions are produced by a spray pyrolysis on glass and quartz substrates [2]. The respective pure ZnO layers serve as a reference. X-ray diffraction measurements reveal preferential c-axis orientation perpendicular to the layer plane. Polarization resolved reflectivity and photoluminescence (PL) measurements are performed in the Faraday configuration in magnetic field up 10 T. Clear transitions of three excitons, as expected for a wurtzite structure semiconductor, where the valence band is split into three subbands, are observed at energy around 3.38 ev, 3.39 ev and 3.43 ev in REF measurements. The integrated MCD intensity is determined basing on the acquired reflectivity spectraas function of magnetic field for temperatures of 1.5 K, 5 K, 10 K, and 50 K. The results are well described by the paramagnetic Brillouin function with g factor of 1.997 (determined from independent Electron Paramagnetic Resonance measurement), spin 5/2 (as for Fe 3+ ion) and experimental temperature. Transitions of bound exciton at around 3.36 ev and the donor acceptor pairs (DAP) at around 3.32 ev are observed in the PL spectrum. It is evidenced that Fe doping promotes excitonic emission over other (in particular DAP) recombination channels. Dependence of degree of polarization for the excitonic and DAP transitions on magnetic field is well described by the Brillouin function. The narrowing of bound exciton transition with the magnetic field is observed and attributed to reduction of the spin fluctuations of the Fe 3+ ions. The increase of the intensity of excitonic emission in the magnetic field for both circular polarizations of the light is found. It indicates that magnetic field reduces efficiency of non-radiative Auger recombination involving excitation of the Fe 3+ ion [3]. The dependences determined from the PL measurement show that magnetooptical response of the sample is proportional to the sample magnetization. In such a way, PL results provide a strong support for the conclusions drawn from the reflectivity measurements, what unequivocally confirms presence of the ion-carrier s,p-d interaction in the studied system. [1] J. Tribolletet al., Europhysics Letters 84, 20009 (2008). [2] E. Chikoidze et al., Journal of Applied Physics 113, 043713 (2013). [3] M. Nawrocki et al., Physical Review B 52, R2241 (1995).
Rozszczepienia spinowe w dekorowanym grafenie i innych kryształach 2D Andrzej Skierkowski Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski, ul. Pasteura 5, 02-093 Warszawa Przedstawię wyniki symulacji komputerowych ( VASP ) grafenu i silicenu dekorowanych atomami pierwiastków II i IV grupy, oraz podam ogólną postać efektywnego hamiltonianu, opisującego rozszczepienia pasm w okolicy punktu K. Skomentuję stosowalność hamiltonianu do innych kryształów 2D, takich jak germanen, stanen, h-bn i MoS 2. Grafen i inne dwuwymiarowe kryształy okazały się niezwykle interesującymi materiałami zarówno dla klasycznej elektroniki jak i dla spintroniki. Do konstrukcji urządzeń spintronicznych z tych materiałów wydaje się jednak niezbędne głębsze zrozumienie natury rozszczepień struktury pasmowej, spowodowanych oddziaływaniem spin-orbita (SOC), oraz możliwość strojenia tych wielkości czynnikami zewnętrznymi, np. dekorowaniem warstw atomami innych pierwiastków. Efektywny hamiltonian struktury pasmowej wokół punktu K (Diraca) ma formę: H eff = H 0 + H' gdzie H 0 jest zwykłym hamiltonianem k.p [1], a H' opisuje efekty zaburzenia (dekoracji), sprzężonego z oddziaływaniem spin-orbita i został sformułowany na podstawie teorii niezmienników [2]. Ma on postać macierzy 4x4 i zawiera cztery stałe materiałowe:,,,, które można wyznaczyć z obliczeń ab initio. Wykonane rachunki DFT uwzględniają efekty relatywistyczne w sposób nieperturbacyjny i wykorzystują relatywistyczne pseudopotencjały PAW. Pełna relaksacja atomów w superkomórce zapewnia energetycznie najkorzystniejsze położenia domieszek w grafenowym szkielecie. Wymuszona w symulacjach niezwykle wysoka dokładność pozwala wyznaczyć strukture pasmową w skali rzędu ev. Rozwinięty schemat, tj efektywny hamiltonian z teorii niezmienników w kombinacji z relatywistycznymi obliczeniami z pierwszych zasad w ramach teorii funkcjonału gęstości, tworzy ogólną teorię rozszczepień spinowych wywołanych oddziaływaniem spin-orbita w dwuwymiarowych kryształach. [1] Np. L. Brey and H. A. Fertig, Phys. Rev. B 73, 235411 (2006). [2] R. Winkler and U. ZĂĽlicke, Phys. Rev. B 82, 245313 (2010).
Korelacje właściwości magnetycznych i transportowych kompozytowego półprzewodnika Ge 1-x-y Pb x Cr y Te 1 A. Podgórni a, L. Kilanski a, W. Dobrowolski a, M. Górska a, A. Reszka a, B.J. Kowalski a, V. Domukhovski a, B. Brodowska a, V. E. Slynko b i E. I. Slynko b a Instytut Fizyki PAN, Al. Lotników 32/46, Pl-02-668 Warszawa, Polska b Instytut Materiałoznawstwa, NASU, Vilde 5, 58001 Chernovtsy, Ukraina Półprzewodniki półmagnetyczne bazujące na kryształach GeTe, w związku z ich ferromagnetyzmem (indukowanym oddziaływaniami RKKY) z wysokimi temperaturami Curie T C, są w ostatnich latach przedmiotem intensywnych badań. W szczególności kryształy Ge 1-x Cr x Te wykazują relatywnie wysokie T C dochodzące do 150 K. W materiałach kompozytowych z klastrami domieszek magnetycznych spodziewać się można dalszego wzrostu T C. Celem prowadzonych prac było zbadanie właściwości strukturalnych, elektronowych i magnetycznych objętościowych kryształów Ge 1-x-y Pb x Cr y Te o zmiennym składzie chemicznym: 0,181 < x < 0,220, 0,017 < y < 0,043. Wyniki analizy XRD oraz SEM pokazują, iż badane kryształy są związkiem składającym się z matrycy GeTe zawierającej klastry bazujące na PbTe oraz Cr-Te. W badanym materiale zostały wykryte dwa przejścia magnetyczne, pierwsze pomiędzy 130 i 150 K oraz drugie w pobliżu 40 K. Wysokotemperaturowe przejście magnetyczne zidentyfikowane zostało jako zamarzanie momentów magnetycznych. Typ przejścia niskotemperaturowego jest zależny od składu chemicznego: zmienia się on z przejścia paramagnetyk-ferromagnetyk dla kryształów z 4,3 i 3,8 % Cr na przejście ze stanu paramagnetycznego do fazy szkła spinowego dla próbek z mniejszą zawartością chromu y. Badane kryształy są półprzewodnikami typu p z wysoką koncentracją nośników p > 10 20 cm -3. Pomiary magnetotransportowe 0-0.3 0 50 100 150 200 250 300 Temperatura [K] Rysunek 1. Temperaturowa zależność podatności oraz magnetooporu (MR) dla wybranego kryształu Ge 0,755 Pb 0,207 Cr 0,038 Te. wykazały ujemny magnetoopór silnie związany z przejściem magnetycznym w stopie. Nie stwierdzono obecności anomalnego efektu Halla. W celu wyjaśnienia fizycznych mechanizmów odpowiedzialnych za obserwowane zjawiska magnetotransportowe przeprowadzona została szczegółowa analiza. Re( ac ) [10-4 emu/g] 5 4 3 2 1 podatność magnetyczna Ge 0,755 Pb 0,207 Cr 0,038 Te MR w 1,4 T 0.3 0.2 0.1 0.0-0.1-0.2 xx / xx (0) [%] [1] Y. Fukuma i in., Appl Phys. Lett. 89, 152506 (2006). 1 Praca powstała dzięki wsparciu finansowemu Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w ramach projektu POMOST/2011-4/2 współfinansowanego przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. email: podgorni@ifpan.edu.pl
Miniature coils for producing pulsed inplane magnetic fields for nanospintronics Łukasz Pawliszak 1, Maria Tekielak 2 and Maciej Zgirski 1 1 Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, al.lotnikow 32/46, PL 02-668 Warszawa, Poland 2 Faculty of Physics, University of Białystok, ul.lipowa 41, PL 15-424 Białystok, Poland ABSTRACT Nanospintronic and related research often requires the application of quickly rising magnetic field pulses in the plane of the studied planar structure. We have designed and fabricated submillimeter-sized coils capable of delivering pulses of the magnetic field up to ~500 Oe in the plane of the sample with the rise time of the order of 10 ns. The placement of the sample above the coil allows for easy access to its surface with manipulators or light beams for, e.g., Kerr microscopy. We use the fabricated coil to drive magnetic domain walls in 1 μm wide permalloy wires and measure magnetic domain wall velocity as a function of the applied magnetic field.
Wytwarzanie mikrostruktur i transport kwantowy w heterostrukturach InAs/GaSb R. Wawrzyńczak 1, M. Majewicz 1, G. Grabecki 1,2, J. Wróbel 1,3, K. Dybko 1, A. Jasik 4, E. Papis-Polakowska 4, M.Bugajski 4 and T. Dietl 1,5,6 1 Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk, al. Lotników 32/46, 02-668 Warszawa 2 Wydział Matematyczno-Przyrodniczy, Szkoła Nauk Ścisłych, Uniwersytet Kardynała Stefana Wyszyńskiego, ul. Wóycickiego 1/3, 01-938 Warszawa 3 Wydział Matematyczno-Przyrodniczy, Uniwersytet Rzeszowski, ul. Pigonia 1, 35-310 Rzeszów 4 Instytut Technologii Elektronowej, al. Lotników 32/46, 02-668 Warszawa 5 Instytut Fizyki Teoretycznej, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski, ul. Pasteura 5, 02-093 Warszawa 6 WPI-Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR), Tohoku University, Sendai 980-8577, Japonia Faza dwuwymiarowego izolatora topologicznego oferuje obiecujące perspektywy zastosowań w spintronice i realizacji topologicznego komputera kwantowego. Od momentu teoretycznego przewidzenia jej istnienia i doświadczalnego zaobserwowania w studniach kwantowych HgTe/CdTe [1], podobne wyniki udało się otrzymać tylko w heterostrukturach III rodzaju, które zbudowane są z dwóch sąsiadujących ze sobą studni kwantowych: InAs i GaSb. Hybrydyzacja pasma przewodnictwa studni InAs i pasma walencyjnego studni GaSb prowadzi do odwrócenia struktury pasmowej co, analogicznie do przypadku studni HgTe/CdTe, skutkuje pojawieniem się nietrywialnego dwuwymiarowego izolatora topologicznego [2]. Niedawne prace doświadczalne wykazały precyzyjną kwantyzację przewodnictwa w kanałach brzegowych charakterystycznych dla tego rodzaju materiałów [3]. Podjęliśmy się badań heterostruktur zawierających studnie kwantowe o grubościach 12,5 nm(inas) i 5 nm(gasb) umieszczonych pomiędzy dwiema barierami z AlSb. Próbki zostały przygotowane w procesie epitaksji z wiązek molekularnych w Instytucie Technologii Elektronowej na pół-izolującym podłożu z GaAs. Pomiary zjawiska Halla wykazały obecność mieszanego przewodnictwa typu n i typu p. Wkład typu n pochodzi od gazu elektronowego, którego dwuwymiarowość potwierdziło zachowanie oscylacji Szubnikowa-de Haasa dla różnych wartości kąta pomiędzy polem magnetycznym i płaszczyzną heterostruktury. Przewodnictwo dziurowe może wynikać z niezhybrydyzowanego pasma dziurowego w studni GaSb, albo z istnienia warstwy przewodzącej na jednej z międzypowierzchni. Metodą litografii elektronowej przygotowaliśmy dwa sześciosondowe mostki Halla o wymiarach W = 10 μm, L = 10 μm oraz W = 5 μm, L = 5 μm. W trakcie przygotowań przetestowano dwa rodzaje roztworów trawiących, jeden z nich zawierający kwas solny, drugi kwas cytrynowy. Pomiary przeprowadzone na mikrostrukturach również wskazują na dwunośnikowy mechanizm transportu, ale wkład elektronowy jest znacząco zmniejszony. Może to wynikać ze znaczącego zubożenia kanałów przewodzących. [1] B. Bernevig et al., Science 314, 5806 (2006); M. Köenig et al., Science 318, 5851 (2007) [2] C. Liu et al., Phys. Rev. Lett. 100, 236601 (2008). [3] I. Knez et al., Phys. Rev. Lett. 112, 026602 (2014).
Symulacje kwantowego transportu w dwuwymiarowych izolatorach topologicznych M. Papaj 1 *, Ł. Cywiński 2, J. Wróbel 2, 3 1, 2, 4, T. Dietl 1 Instytut Fizyki Teoretycznej, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski,ul. Pasteura 5, 02-093 Warszawa 2 Instytut Fizyki, Polska Akademia Nauk, al. Lotników 32/46, PL-02 668 Warszawa, 3 Wydział Matematyczno-Przyrodniczy, Uniwersytet Rzeszowski, al. Rejtana 16A, 35-959 Rzeszów 4 WPI-Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR), Tohoku University, 2-1-1 Katahira, Aoba-ku, Sendai 980-8577, Japan *adres e-mail: Michal.Papaj@student.uw.edu.pl Dokładność kwantyzacji przewodnictwa w materiałach, w których dotychczas zaobserwowano kwantowy spinowy efekt Halla jest niezadowalająca. Przyczyny niedokładnej kwantyzacji można poznać badając własności stanów brzegowych w zależności od kształtu struktury i występującego nieporządku. Należy również poszukiwać nowych materiałów, w których przewidywane teoretycznie efekty będą lepiej obserwowalne. W wystąpieniu zostaną zaprezentowane wyniki symulacji kwantowego transportu dla dwóch materiałów: studni kwantowych HgTe/(Hg,Cd)Te oraz pojedynczej warstwy WTe 2. W przypadku studni kwantowych badany był wpływ długości korelacji nieporządku na przewodnictwo próbek. Stwierdzono, że nieporządek skorelowany znacznie zawęża zakres parametrów, dla których występuje skwantowanie przewodności (Rys. 1). Przedstawione zostaną też wyniki symulacji transportu w dichalkogenach metali przejściowych, w których przewiduje się występowanie kwantowego spinowego efektu Halla [1]. Badając model pojedynczej warstwy dwutellurku wolframu ustalono, że głębokość wnikania stanów brzegowych jest rzędu 5 nm. Pokazano też, że nawet w przypadku dichalkogenów będących półmetalami o przekryciu pasm rzędu 0,1 ev możliwe jest zlokalizowanie modów w objętości próbki przy jednoczesnym zachowaniu skwantowanego przewodnictwa kanałami brzegowymi. Rys. 1 Mapa przewodności studni HgTe/(Hg, Cd)Te w funkcji siły nieporządku oraz energii Fermiego dla nieporządku nieskorelowanego i skorelowanego. [1] X. Qian, J. Liu, L. Fu i J. Li, Science 346, 1344 (2014)