[论文解读] Spin-noise-based magnetometry of an $n$-doped GaAs microcavity in the field of elliptically polarized light

I. I. Ryzhov, G. G. Kozlov+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2015

Quantum and electron transport phenomena参考文献 47被引用 14

一句话总结

本研究证明，在n型掺杂的GaAs微腔中，椭圆偏振光可产生一种作用于电子自旋的有效‘光学’磁场，该磁场通过自旋噪声光谱学被探测到。该磁场与探测光强度成线性关系，并随手性反转符号，源于光学斯塔克效应，且因高Q值微腔的增强作用而被放大，从而实现对半导体中非平衡自旋动力学的定量磁测量，且无需外部激发。

ABSTRACT

Recently reported optical nuclear orientation in the $n$-doped GaAs microcavity under pumping in nominal transparency region of the crystal [Appl. Phys. Lett. $\mathbf{106}$, 242405 (2015)] has arisen a number of questions, the main of them concerning mechanisms of angular momentum transfer from the light to the nuclear spin system and the nature of the light-related magnetic fields accompanying the optical nuclear polarization. In this paper, we use the spin noise spectroscopy for magnetometric purposes, particularly, to study effective fields acting upon electron spin system of an $n$-GaAs layer inside a high-Q microcavity in the presence of elliptically polarized probe beam. In addition to the external magnetic field applied to the sample in the Voigt geometry and the Overhauser field created by optically oriented nuclei, the spin noise spectrum reveals an additional effective, "optical," magnetic field produced by elliptically polarized probe itself. This field is directed along the light propagation axis, with its sign being determined by the sign of the probe helicity and its magnitude depending on degree of circular polarization and intensity of the probe beam. We analyze properties of this optical magnetic field and suggest that it results from the optical Stark effect in the field of the elliptically polarized electromagnetic wave.

研究动机与目标

• 研究在椭圆偏振光照射下，n型掺杂GaAs微腔中作用于电子自旋的有效磁场的起源与性质。
• 确定观测到的自旋噪声特征是否源于探测光束本身诱导的新有效场。
• 利用自旋噪声光谱学量化该光学场的大小及其与偏振态的依赖关系。
• 阐明在GaAs透明区中光学核极化的机制，该区域传统光学泵浦方法失效。

提出的方法

• 采用自旋噪声光谱学（SNS）检测法拉第旋转的涨落，揭示了拉莫频率处的共振特征。
• 利用高Q值微腔增强局域电磁场强度，提高对微弱有效场的灵敏度。
• 探测光束为椭圆偏振光，其手性和强度可控，以研究有效场对偏振态的依赖性。
• 基于体材料GaAs中的光学斯塔克效应的理论模型，解释了观测到的场强大小及手性反转现象。
• 基于腔体Q值和材料参数，推导出场强的理论估算值，关系式为 $ \mathcal{K}_{c}^{\text{theor}} \approx 55~\text{mT/mW} $。
• 将实验数据与理论预测进行对比，验证光学斯塔克效应是有效场的起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 当椭圆偏振探测光束照射在n-GaAs透明区时，电子自旋系统中为何会出现有效磁场？
• RQ2 该有效磁场的大小和方向如何依赖于探测光束的强度和手性？
• RQ3 自旋噪声光谱学能否在无外部激发条件下探测并量化该光学场，从而证实其非微扰性质？
• RQ4 该场的微观起源是什么——具体而言，是否源于圆偏振光场存在下的光学斯塔克效应？
• RQ5 微腔如何增强有效磁场？其对自旋动力学的改变程度如何？

主要发现

• 当n-GaAs电子自旋系统受到椭圆偏振探测光束照射时，即使在透明区，也会产生有效‘光学’磁场。
• 该磁场与探测光束强度成线性比例关系，并在手性反转时改变方向，证实其手性特性。
• 实验测得的磁场大小为 $ \mathcal{K}_{c} = 55~\text{mT/mW} $，与基于光学斯塔克效应的理论估算值高度一致。
• 理论建模证实，该磁场源于椭圆偏振光场对电子能级谱的重正化作用。
• 高Q值微腔通过增强局域电场强度，提高了磁场强度，从而实现对微弱有效场的探测。
• 本研究为在非共振激发条件下实现GaAs中的光学核极化提供了机制，解决了自旋光学领域长期存在的难题。