Элементы сверхпроводящей электроники. Динамика кристаллической решетки. Магнитные квантовые эффекты в полупроводниках, страница 18

Включив лазер L_Т, пропуская дополнительно тестовое излучение с частотой , можно легко убедиться в усилении тестового излучения ω_Т. Тестируемая частота должна удовлетворять резонансному условию

                        .                                                (20.51)

При перестройке частоты  усиление исчезает не мгновенно, поскольку спиновые подуровни имеют конечную ширину. Практически удобно не изменять частоту , а подстраивать магнитным полем спиновые подуровни Ландау под резонансное условие (рис. 20.12б). Тогда на спектральной картинке рис. 20.12в это выглядит как перемещение резонансной линии к усиливаемой частоте ω_S = ω_Т. Указанное на рис. 20.12в направление движения контура усиления соответствует увеличению магнитного поля В.

Исследования спинового резонанса в антимониде индия обычно проводятся с применением лазеров на двуокиси углерода (СО₂), имеющих диапазон дискретной перестройки от 9,2 до 12 мкм и шагом 2 см^-1. В наших экспериментах [32] использовались специально сконструированные лазеры на угарном газе (СО) с диапазоном дискретной перестройки в пределах от 4,8 до 8 мкм с шагом 4 см^-1. Комбинируя линии лазеров, можно было плавно изменять резонансное магнитное поле от сотен гаусс (~ 10^-2 Тл) до 150 кГс в случае применения лазера на угарном газе. В этом случае длина волны лазера >5,3 мкм и энергия квантов  была близка к ширине запрещенной зоны InSb.

Рис. 20.12. а) Схема метода ВКР - усиления с переворотом спина. б) Условия резонанса при ВКР. в) Спектр излучения при ВКР. г) Спектр излучения при антистоксовом рассеянии.

Поскольку вероятность ВКР резонансно возрастает благодаря фактору в сечении рассеяния, резонанс наблюдается во всем диапазоне магнитных полей и диапазоне концентраций носителей от 2^.10¹³ см^-3 до 6^.10¹⁶ см^-3 при относительно малой интенсивности накачки < 3 мВт. Эти благоприятные особенности метода ВКР - усиления, дополненные соображениями о доступности лазеров, определяют выбор метода и средств исследования спинового резонанса.

Использование метода ВКР – усиления для исследования формы линии спинового резонанса основано на предположении о том, что контур усиления повторяет огибающую спектра спонтанно рассеянного света и не вносит искажений.

В результате создания измерительного комплекса с высокими техническими характеристиками, подробно описанного в нашей работе [32], появилась возможность исследования целого ряда явлений в узкозонных полупроводниках типа n – InSb в квантующих магнитных полях.

Одной из основных характеристик спинового резонанса свободных электронов является эффективный g – фактор. Обычно эффективный g - фактор определялся либо в классических магнитных полях, либо в ультроквантовом пределе методом линейного поглощения электромагнитного излучения. Методом ВКР-усиления в [32] исследовалась область промежуточных магнитных полей, которая представляла интерес и для теоретического исследования. Зависимость g – фактор от В, полученная для трех образцов различных концентраций, показана на рис. 20.13. При уменьшении концентрации свободных электронов эффективная масса электронов уменьшается и g - фактор возрастает. В пределе малых концентраций получается магнитополевая зависимость g - фактора свободных электронов вблизи дна зоны проводимости. Экстраполяция кривых рис. 20.13 к нулевым полям и малым концентрациям позволила получить значение g - фактора на дне зоны проводимости с высокой точностью .

Рис.20.13

Точные зависимости g- фактора от магнитного поля перспективно использовать для анализа спектрального состава лазерного излучения с высоким разрешением и усилением тестовой волны.