Применение спектроскопии отогрева для изучения флуктуаций ядерных спинов в полупроводниках / Чербунин Р.В., Литвяк В.М., Кавокин К.В., Калевич В.К.

Известно, что ядра решётки многих полупроводников обладают ненулевыми магнитнымимоментами, сильно взаимодействующим между собой и слабо взаимодействующим с колебаниямирешетки. Например, в арсениде галлия скорость диполь-дипольного и спин-решеточноговзаимодействий ядер могут отличаться на шесть порядков. Сильное различие времен продольной ипоперечной релаксации позволяет понижать температуру ядерной спиновой системы (ЯСС) доуровня микро-кельвин, когда сам кристалл находится при температуре жидкого гелия [1]. При этомрезервуар энергии, который создаёт диполь-дипольное взаимодействие ядерных спинов, оказываетсявыведен из теплового равновесия с окружающей средой и способен либо поглощать энергию (приположительной спиновой температуре), либо отдавать её (при отрицательной спиновой температуре).При понижении ядерной спиновой температуры еще на порядок должен наблюдаться переход в спинупорядоченное состояние, аналогичное упорядоченным состояниям ядерных спинов в металлах.Термодинамическое равновесие внутри ядерной спиновой системы устанавливается за времяпорядка ста микросекунд. Это позволяет реализовать методику изучения флуктуаций ядерныхспинов, основанную на измерении мнимой части её восприимчивости по изменению спиновойтемпературы при поглощении энергии переменного магнитного поля определенной частоты [2]. Вданной работе была реализована методика спектроскопии отогрева ЯСС при ее оптическомохлаждении поляризованным светом. Поляризованное лазерное излучение ориентировало по спинуэлектроны проводимости, которые создавали поток спина в ЯСС, находящуюся во внешнеммагнитном поле. Поток спина в магнитном поле сопровождается потоком тепла в ЯСС или из ЯСС.Выбором длительности и знака циркулярной поляризации оптической накачки мы моглирегулировать начальную спиновую температуру ядер объемного арсенида галлия в пределах от миликельвин до микро-кельвин. Следующие за этапом охлаждения этап отогрева переменным магнитнымполем различной частоты и этап измерения ядерной спиновой температуры позволили получитьспектры отогрева ядерных спинов в указанном интервале спиновых температур. Из полученныхспектров, используя флуктуационно-диссипативную теорему, можно рассчитать спектральнуюплотность ядерных спиновых флуктуаций.Полученные экспериментальные результаты показали, что в легированном арсениде галлияпомимо пика поглощения, связанного с прецессией ядер в локальном поле, присутствует пик напримерно удвоенной частоте. Амплитуда пика и его ширина зависят от концентрации резидентныхэлектронов. Предположительно, данный пик связан с переходами ядерных спинов с изменениеммагнитного квантового числа на 2, которые становятся разрешенными в присутствии электронов.Спектральная плотность ядерных спиновых флуктуаций в нулевом внешнем магнитном поле,спадающая на частотах диполь-дипольных взаимодействий (несколько килогерц), имеет также узкийпик неизвестной пока природы в области низких частот (f<100 Гц).