Inelastic spin-photon interactions in spectroscopy of Raman scattering and polarization noise

拉曼散射光谱和偏振噪声中的非弹性自旋光子相互作用

基本信息

项目摘要

Studies of spin phenomena in condensed matter form one of the major topical routes in physics. The new approaches to information handling and data storage based on the principles of spintronics are already implemented in the computer hardware and recognized by the Nobel Prize in physics, 2007. While the existing spintronic computer memory is based on metallic multilayers, the semiconductor branch of the spintronics presents a huge application potential in the context of integral on chip spin logical elements, quantum information cells (qubits), single photon sources for quantum computations and cryptography. This motivates the main goal of the present project: to provide a deeper insight into the physics of spin-photon interactions in semiconductors, as a basis for optical spin manipulations. In the proposed project, the method of choice for this purpose is the combination of Spin-Flip Raman Spectroscopy (SFRS) and Spin Noise Spectroscopy (SNS). The SFRS stands since the 1960s as a powerful tool for probing spin systems while the SNS is a rising concept which gained much attention, owing to its specific merits, since about one decade. As has been shown theoretically, both methods are very closely related, as they represent, in fact, two aspects of the same physical phenomenon. However, for historical reasons, this deep relationship has never been fully recognized, which led to a separate development of the two experimental techniques and their theoretical descriptions. As a result, some questions of fundamental importance remained unaddressed and the universal understanding of the problem is still missing. Particularly, the analogy of the concepts holds promise for a full theoretical development and further experimental observation of a new coherent optical phenomenon which can be called spin flip reflection. This new kind of optical response is supposed to be a hybrid, bearing some features of the SNS signal. Moreover, we also plan to address another point where the universal view on SFRS and SNS can be deepened. It is the comparison of the paramagnetic resonance and spin noise of localized spins, being studied experimentally using the same specimens in order to merge the complementary theoretical descriptions. As a major output of the project, we expect (i) the observation of a new kind of optical response of a semiconductor and (ii) gaining an experimentally substantiated understanding of the SFRS and SNS phenomena from a common viewpoint. In order to optimize the time usage by the team members, we include secondary tasks which will be addressed by studies of the SFRS or the SNS independently, in line with the previously established collaboration between the German and Russian subteams. Namely, while studies of the few-particle physics by means of SFRS will be continued in Germany, new experimental arrangements in the SNS spectroscopy will be developed in Russia.
对凝聚态物质中自旋现象的研究是物理学中的一条主要研究路线。基于自旋电子学原理的信息处理和数据存储的新方法已经在计算机硬件中实现,并获得了2007年诺贝尔物理学奖的认可。虽然现有的自旋电子计算机存储器是基于金属多层膜,自旋电子学的半导体分支在集成芯片自旋逻辑元件、量子信息单元(量子比特)、用于量子计算和密码学的单光子源的上下文中呈现出巨大的应用潜力。这激发了本项目的主要目标:为半导体中自旋光子相互作用的物理学提供更深入的见解,作为光学自旋操纵的基础。在拟议的项目中,为此目的选择的方法是自旋翻转拉曼光谱(SFRS)和自旋噪声光谱(SNS)的组合。自20世纪60年代以来,SFRS一直是探测尾旋系统的有力工具,而SNS是一个新兴的概念,由于其独特的优点,大约十年来受到了广泛的关注。正如理论上已经表明的那样,这两种方法是非常密切相关的,因为它们实际上代表了同一物理现象的两个方面。然而,由于历史的原因,这种深刻的关系从未被充分认识,这导致了两种实验技术及其理论描述的单独发展。因此,一些具有根本重要性的问题仍未得到解决,对这一问题的普遍理解仍然缺失。特别是,类比的概念持有承诺的一个完整的理论发展和进一步的实验观察的一个新的相干光学现象,可以被称为自旋翻转反射。这种新的光学响应应该是混合的,具有SNS信号的一些特征。此外,我们还计划解决另一个可以深化对SFRS和SNS的普遍看法的问题。这是比较的顺磁共振和自旋噪声的本地化自旋,正在实验研究使用相同的标本,以合并互补的理论描述。作为该项目的主要成果,我们期望(i)观察半导体的一种新的光学响应,(ii)从共同的观点获得对SFRS和SNS现象的实验证实的理解。为了优化团队成员的时间使用,我们包括了次要任务,这些任务将通过SFRS或SNS独立研究来解决,这与德国和俄罗斯子团队之间先前建立的合作是一致的。也就是说,在德国继续利用SFRS进行少粒子物理学研究的同时,将在俄罗斯开发SNS光谱学的新实验安排。

项目成果

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High-resolution resonance spin-flip Raman spectroscopy of pairs of manganese ions in a CdTe quantum well
CdTe 量子阱中锰离子对的高分辨率共振自旋翻转拉曼光谱
  • DOI:
    10.1103/physrevb.101.241301
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    R. V. Cherbunin;V. M. Litviak;I. I. Ryzhov;A. V. Koudinov ;S. Elsässer;A. Knapp;T. Kiessling;J. Geurts;S. Chusnutdinow;T. Wojtowicz;G. Karczewski
  • 通讯作者:
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  • DOI:
    10.1103/physrevb.96.241303
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    A.V. Koudinov;A. Knapp;G. Karczewski;J. Geurts
  • 通讯作者:
    J. Geurts
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