Лаборатория спиновой физики двумерных материалов

Научные результаты:

• Созданы три экспериментальные установки для апробации оптических методов спиновой физики для исследования новых двумерных материалов: (i) фемтосекундная спектроскопия накачки-зондирования с измерением фарадеевского/керровского вращения, (ii) оптическое детектирование электронных и ядерных спиновых резонансов, пикосекундная акустика и (iii) спин-индуцируемая генерация оптических гармоник. Получены результаты по трем группам материалов: 2D дихалькогениды переходных металлов, коллоидные нанопластины на основе CdSe и перовскитные нанокристаллы.
• Предложена и реализована оригинальная экспериментальная методика, совмещающая методы резонансной спиновой спектроскопии с использованием радиочастотного излучения и оптической регистрации спиновой динамики носителей заряда методом накачка-зондирование. Разработаны два варианта методики. Первый - позволяет измерять время спиновой когерентности Т₂, характеризующее одиночные спины, при работе с неоднородными ансамблями спинов. Это продемонстрировано на центрах Ce³⁺. Второй – измерять времена продольной спиновой релаксации Т₁, что реализовано на центрах Ce³⁺ и перовскитных наноскристаллах CsPb(Cl,Br)₃ в стекле. Экспериментальная методика «спиновый мод-локинг», развитая в Техническом университете Дортмунда для исследования InGaAs квантовых точек, модифицирована для исследования перовскитных нанокристаллов. Это позволило измерить времена спиновой когерентности Т₂ и спиновой дефазировки Т₂^* в перовскитных нанокристаллах.
• g-факторы Ланде носителей заряда измерены в широком диапазоне температур (вплоть до комнатной) и магнитных полей в коллоидных нанопластинах и перовскитных нанокристаллах. В 2D дихалькогенидах переходных металлов Ларморова прецессия оказалась подавлена в силу сильного спин-орбитального взаимодействия, что не позволило измерить g-фактор методом накачка-зондирование. Измерены основные времена спиновой релаксации Т₁, Т₂ и Т₂^* для свободных носителей заряда и экситонов в коллоидных нанопластинах, перовскитных нанокристаллах и в 2D дихалькогенидах переходных металлов. Проанализированы механизмы спиновой релаксации носителей заряда. Показано, что в нулевом магнитном поле при криогенных температурах доминирует спиновая релаксация за счет взаимодействия со спиновой системой ядер. В перовскитных нанокристаллах методом оптически-детектируемого ядерного резонанса выявлен основной вклад спинов Pb²⁰⁷ как для спиновой релаксации электронов, так и дырок. В CdSe коллоидных нанопластинах взаимодействия с ядрами обуславливает спиновую релаксацию для электронов, тогда как дырочная спиновая релаксация связана со смешиванием состояний легких и тяжелых дырок. Спиновая дефазировка во внешнем магнитном поле, проявляющаяся как сокращение времени Т₂^* с ростом поля связана с дисперсией g-факторов в ансамбле спинов.
• Создана установка для исследования микроскопии нелинейно-оптического отклика материалов по методу накачка-зондирование, вызванного либо приходом упругого импульса, либо формированием неравновесного состояния электронной системы. Получен ряд предварительных результатов, оценена чувствительность, подобрана подложка для исследования двумерных материалов.
• Благодаря развитию технологии в ФИАН реализованы гибридные структуры достаточно большой площади (~ тысячи мкм²), в которых двумерный слой является обкладкой конденсатора. Это позволяет управлять концентрацией носителей в нем, прикладывая затворное напряжение на прозрачный графеновый электрод. Приложение такого напряжения меняет концентрацию носителей в слое и сдвигает спектр люминесценции. Мы не первые реализуем подобные структуры, но достаточно большой размер полученных образцов, одновременно с их размещением на прозрачных подложках, позволяет ожидать большого количества оригинальных результатов на разработанных в лаборатории методиках. Реализовано усиление люминесценции из гетероструктур путем комбинированного эффекта ближнепольного усиления и приложения механического напряжения при помещении структуры с ДХПМ на заостренные пирамидки. Освоено использование лазерной системы Light Conversion для микромодификации двумерных материалов – создания в них излучательных центров. Такого рода гибридные структуры на основе нитрида бора с созданными в них посредством лазерной абляции микроямками являются источниками одиночных фотонов. Для исследования фотопроводящих свойств гибридных структур с контактами была опробована оригинальная методика типа памп-проб, в которой импульс накачки поступает от лазерной системы и измеряется сопротивление по прошествии временной задержки. 

Организационные и инфраструктурные преобразования:

В структуре ФИАН в отделении физики твердого тела создана на постоянной основе лаборатория спиновой физики двумерных материалов, куда вошли участники Мегагранта.

Образование и переподготовка кадров:

Молодыми участниками Мегагранта защищено шесть дипломных работ, две кандидатских диссертации и одна докторская.

Сотрудничество:

• Технический университет Дортмунда (Германия): совместные исследования, визиты сотрудников;
• Гентский университет (Бельгия),
• Швейцарская высшая техническая школа Цюриха (Швейцария),
• Университет Сорбонна (Франция),
• Университет ИТМО (Россия),
• МИСиС (Россия): изготовление образцов для исследований;
• ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербургский государственный университет (Россия): совместные исследования.