А.М. Мандель – к.ф.-м.н., доцент,  кафедра «Физика», МГТУ «СТАНКИН»

E-mail: arkadimandel@mail.ru

В.Б. Ошурко – д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой «Физика», МГТУ «СТАНКИН»

С.Г. Веселко – к.ф.-м.н., доцент,  кафедра «Физика», МГТУ «СТАНКИН» К.Г. Соломахо – аспирант, ассистент, кафедра «Физика», МГТУ «СТАНКИН»

А.А. Шарц – к.ф.-м.н., доцент,  кафедра «Физика», МГТУ «СТАНКИН»

Постановка проблемы. Работа посвящена формулировке и решению самосогласованной задачи расчета эффективной массы, g-фактора и спектра электрона в идеальных квантовых нитях, то есть полупроводниковых 1D-гетероструктурах, спектр поперечного движения которых содержит единственный связанный уровень. Для расчета спектра электрона необходима его продольная и поперечная эффективная масса. В свою очередь, сами эти массы критически зависят от радиуса нити и энергии основного состояния. Это обуславливает самосогласованный характер рассматриваемой задачи. Для ее решения теория Кейна, описывающая формирование эффективной массы и g-фактора электрона в объемных полупроводниках состава АIIIВIV, обобщена на рассматриваемый случай с «недостроенной» зонной структурой поперечных уровней. Основная идея такого обобщения состоит в том, что роль запрещенной зоны играет энергетическая щель между потолком валентной зоны и основным состоянием электрона в потенциальной яме.

Цель. Решить самосогласованную задачу расчета эффективной массы и g-фактора электрона в совокупности с его спектром в тонкой квантовой нити.

Результаты. Рассмотрены зонные гетероструктуры только ковариантного типа. Это позволило избежать связывания дырок с последующим образованием экситона со своим сложным спектром. Показано, что энергия (единственного) поперечного уровня начинает ощутимо расти только с некоторого критического радиуса нити, а до этого – экспоненциально подавлена. Установлено, что g-фактор электрона, как и в квантовых точках, всегда является разностью двух величин, одна из которых относится собственно к материалу нити, а другая – к материалу барьера. Причем первая, в отличие от второй, в широких пределах управляется внешними полями, что создает базу для различных технических приложений.

Практическая значимость. Эффективное значение g-фактора в нити всегда является разностью двух величин, одна из которых относится к материалу нити, а другая – к материалу барьера. Для квантовых точек и квантовых ям ситуация совершенно аналогична, так как описанный механизм воздействия однородного магнитного поля на зонную структуру универсален.

1. Pryor C.E., Flatte M.E. Lande g-Factors and Orbital Quenchong in Semiconductor Quantum Dots // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 96. 026804. P. 1–4 (20.01).
2. Ивченко Е.Л. Спиновая физика в полупроводниковых наносистемах // УФН. 2012. Т. 182. № 8. С. 869–876.
3. Van Bree J., Silov A. Yu., Koenraad P. M., Flatte M.E., Pryor C.E. G-factor and diamagnetic coefficients of electrons, holes, and excitons in InAs/InP quantum dots // Phys. Rev. B. 2012. V. 85. 165323. P. 1–11.
4. Мандель А.М., Ошурко В.Б., Веселко С.Г., Соломахо К.Г., Першин С.М., Шарц А.А. Расчет g-фактора в малых квантовых точках // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2018. № 9. С. 39–45.
5. Мандель А.М., Ошурко В.Б., Веселко С.Г., Соломахо К.Г., Шарц А.А. Влияние формы малых квантовых точек на g-фактор и эффективную массу связанных одноэлектронных состояний // Инженерная физика. 2018. № 9. С. 3–14.
6. Vurgaftman I., Meyer J.R., Ram-Mohan Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys // J. Appl. Phys. 2001. V. 89. P. 5815–5874.
7. Мандель А.М., Ошурко В.Б., Соломахо Г.И., Соломахо К.Г. Идеальные квантовые нити в магнитном поле – энергия самоорганизации, критические размеры и управляемая проводимость // Радиоэлектроника. 2018. Т. 63. № 3. С. 268–276.
8. Базь А.И., Зельдович Я.Б., Переломов А.М. Рассеяние, реакции и распады в нерелятивистской квантовой механике. М.:  Наука. 1966.
9. Мандель А.М., Ошурко В.Б., Соломахо Г.И., Соломахо К.Г., Веретин В.С. Применение качественных методов для расчета идеальных квантовых точек // Успехи современной радиоэлектроники. 2015. № 8. С. 18–28.
10. Мандель А.М., Ошурко В.Б., Соломахо Г.И. О локализации магнитным полем одноэлектронных состояний в окрестности квантовых точек дробной размерности // Электромагнитные волны и электронные системы. 2014. № 6. С. 67–74.
11. Kane E.O. Band structure of indium antimonide // J. Phys. Solids. 1957. V. 1. P. 249–261.
12. Roth L.M., Lax B., Zwerling S. Theory of Optical Magneto-Absorption Effects in Semiconductors // Phys. Rev. 1959. V. 114. № 1. P. 90–104.
13. Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников. М.: Наука. 1978.
14. Ивченко Е.Л., Киселев А.А. Электронный g-фактор в квантовых проволоках и квантовых точках // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 67. Вып. 1. С. 41–45.
15. Родионов В.Н., Кравцова Г.А., Мандель А.М. О влиянии сильных электрического и магнитного полей на пространственную дисперсию и анизотропию оптических свойств полупроводников // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 78. Вып. 4. С. 253–257.
16. Rodionov V.N., Kravtsova G.A., Mandel A.M. The lack of the stabilization of quasi-stationary electron states in a strong magnetic field // Doklady Physics. 2002. V. 47. № 10. P. 725–727.
17. Родионов В.Н., Кравцова Г.А., Мандель А.М. Волновая функция и распределение токов вероятности электрона, движущегося в однородном магнитном поле // ТМФ. 2010. Т. 164. № 1. С. 157–171.
18. Родионов В.Н., Кравцова Г.А., Мандель А.М. Ионизация из короткодействующего потенциала под действием электромагнитных полей сложной конфигурации //Письма в ЖТФ. 2002. Т. 75. Вып. 8. С. 435–439.
19. Родионов В.Н., Кравцова Г.А., Мандель А.М. Ионизация сильным лазерным излучением при учете действия квантующего магнитного поля // Вестник МГУ. Сер. 3 «Физика. Астрономия». 2002. № 5. С. 6–12.