Nowa publikacja z udziałem dr M. Maciaszka została wyróżniona przez redakcję Physical Review B

W publikacji zaproponowano metodologię wyznaczania prawdopodobieństwa fotojonizacji (przekrojów czynnych) w funkcji energii fotonu i odniesiono ją do centrów NV. Ustalono, że fotojonizacja może następować z trzech różnych stanów elektronowych odpowiadających centrum NV i wyznaczono minimalne energie, dla których proces fotojonizacji może nastąpić.

Niemal od początku historii fizyki półprzewodników defekty uważano za ważny przedmiot badań, a ich znaczenie wynikało z istotnego, a niekiedy wręcz rozstrzygającego, wpływu na właściwości półprzewodników. Tradycyjnie płytkie defekty uważa się za pożyteczne, gdyż zwiększają koncentrację nośników, zaś głębokie – za szkodliwe, ponieważ będąc wydajnymi centrami rekombinacji, skracają czas życia nośników mniejszościowych i obniżają wydajność urządzeń. Jednak od kilkunastu lat jest jasne, że defekty są warte uwagi nie tylko ze względu na materiał, w którym się znajdują, ale ze względu na możliwość sterowania ich stanem przez oświetlenie lub zewnętrzne napięcie, są interesującym obiektem samym w sobie i mogą stać się bazą dla nowych technologii. Defekt w półprzewodniku przypomina bowiem spułapkowany atom lub cząsteczkę: jest dobrze określonym układem stanów elektronowych, odizolowanym od zewnętrznych zaburzeń (i innych defektów) przez resztę materiału. Za pomocą światła laserowego o odpowiedniej częstości można „zapisywać” lub „odczytywać” ich stan elektronowy. Dzięki temu defekty mogą umożliwić realizację wielu rewolucyjnych koncepcji, jak obliczenia kwantowe, komunikacja kwantowa czy metrologia kwantowa. Ze względu na swoją strukturę elektronową i spinową, szczególnie obiecującym defektem z punktu widzenia wymienionych zastosowań jest centrum NV (azot-wakansja) w diamencie. Sygnał optyczny może jednak nie tylko nadać centrum NV pożądaną konfigurację elektronową, ale może także przenieść jeden z jego elektronów do pasma przewodnictwa (a więc po prostu – uwolnić). Taki proces nazywany jest fotojonizacją. Bez znajomości prawdopodobieństwa fotojonizacji (czyli przekrojów czynnych) planowanie eksperymentów optycznych jest utrudnione. Brakuje ponadto metodologii obliczania przekrojów czynnych na fotojonizację defektów w półprzewodnikach.

W publikacji zaproponowano metodologię wyznaczania prawdopodobieństwa fotojonizacji (przekrojów czynnych) w funkcji energii fotonu i odniesiono ją do centrów NV. Ustalono, że fotojonizacja może następować z trzech różnych stanów elektronowych odpowiadających centrum NV i wyznaczono minimalne energie, dla których proces fotojonizacji może nastąpić. Dla wskazanych procesów wyznaczono spektralne zależności przekrojów czynnych. Należało przy tym rozwiązać szereg problemów technicznych: znaleźć prawdopodobieństwa przejścia (dipolowe momenty przejść) dla wszystkich możliwych początkowych i końcowych stanów elektronowych, uwzględnić powstawanie sztucznych przerw energetycznych w pasmie wywołane periodyczną powtarzalnością superkomórek z defektem czy rozwiązać problem wolnej zbieżności dipolowych momentów przejścia w funkcji gęstości punktów w pierwszej strefie Brillouina, dla których wykonano obliczenia. Oprócz procesów fotojonizacji, zbadano również prawdopodobieństwo procesu konkurencyjnego – emisji wymuszonej. Poniższy wykres przedstawia ostatecznie znalezione wyniki.

Otrzymane wyniki pozwoliły wyjaśnić obserwowaną eksperymentalnie polaryzację spinową centrum NV po fotojonizacji. Stwierdzono, że jeśli centrum NV przed fotojonizacją jest spolaryzowane spinowo (tzn. stan o konkretnej wartości magnetycznej spinowej liczby kwantowej dominuje), co zwykle ma miejsce po odpowiednio długim oświetleniu >2,16 eV, to również po fotojonizacji centrum musi być spolaryzowane spinowo, co tłumaczy silny sygnał obserwowany w pomiarach elektronowego rezonansu spinowego. Wytłumaczono również wyniki eksperymentalne, w których zaobserwowano przewagę fotojonizacji nad emisją wymuszoną w niektórych zakresach spektralnych. Otrzymane wyniki wskazując prawdopodobieństwo różnych mechanizmów oddziaływania defektów ze światłem, mogą stać się swego rodzaju „mapą” dla planujących eksperymenty optyczne z udziałem centrów NV.

Badania zostały wykonane w ramach projeku NCN Miniatura 3 kierowanego przez dr. Marka Maciaszka.

Publikacja została wyróżniona przez redakcję Physical Review B (Editor’s Suggestion). Zwykle wyróżnia się ~5 publikacji spośród ~90 publikowanych każdego tygodnia.

Publikacja na stronie wydawcy: https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.104.235301