Полупроводники - Смит Р.
Скачать (прямая ссылка):
будет антистоксов. Для уровней Ландау в зоне проводимости Вольф 1751
теоретически рассмотрел ситуацию, при которой состояние i соответствует
уровню Ландау (гг), состояние f - уровню Ландау (я+2), а промежуточным
состоянием является уровень (я+1). Это проиллюстрировано на рис. 14.12.
Оказывается, что разрешено только рассеяние, для которого Дя=2. При таких
переходах изменения направления спина запрещены.
Более того, если разность энергий уровней Ландау (я+2) и (я+1) в точности
совпадает с разностью энергий для уровней (я+1) и (я), то вероятность
такого перехода равна нулю. Это должно выполняться для электронов в
свободном пространстве и для полупроводников, для которых Е квадратично
зависит от компонент вектора к. В таких полупроводниках комбинационное
рассеяние этого типа не имеет места. Слашер, Пейтел и Флери [761
наблюдали это явление в InSb, в котором его существование обусловлено
отклоне-
14. Некоторые специальные вопросы
521
нием от параболичности зоны проводимости в InSb из-за малости эффективной
массы электронов (см. подразд. 11.3.5). Против ожидания авторам удалось
также наблюдать переход с Дя=1.
Яфет [77] рассмотрел ситуацию, при которой начальное состояние - это
уровень Ландау п=О со спином, направленным "вверх" или "вниз", конечное
состояние - это уровень п=О с противоположным направлением спина, а
промежуточное состояние находится на вершине валентной зоны (см. рис.
14.13). В этом случае переход разрешен для состояния со смешанным спином
с л=1, как это имеет место в InSb. Такой переход в InSb наблюдали Сла-
шер, Пейтел и Флери [76], причем оказалось, что этот переход намного
острее, чем переход с Дя=2. Теорию переходов с переворотом спина
расширили Деннис и др. [78], подчеркнув важную роль промежуточного
состояния со смешанным спином. Если электрон возбудить в это состояние,
то первоначальное направление его спина теряется и имеется большая
вероятность того, что он перевозбудится в состояние с я=0 в зоне
проводимости со спином, направленным либо вверх, либо вниз. Рассеяние
света, сопровождающееся переворотом спина электрона, происходит именно
при тех переходах; при которых электрон возбуждается с изменением спина.
Оказалось, что InSb - это единственный в своем роде материал, и он
особенно подходит для изучения этого типа рассеяния, которое настолько
сильно, что рассеянное излучение можно было бы легко использовать для
создания лазера.
В таких лазерах входное излучение частоты Vj можно рассматривать как
излучение накачки, а рассеянное излучение и его прирост в результате
вынужденного испускания можно рассматривать как выходное излучение. С
помощью фильтров его можно легко отделить от излучения накачки. Опять же
InSb является особенно предпочтительным материалом из-за очень большой
величины g-фактора (~40) (см. разд. 13.5), что приводит к намного
большему частотному сдвигу, чем в материалах с нормальной величиной g-
фактора. Лазерный эффект, основанный на рассеянии излучения, связанном с
переворотом спина, впервые наблюдали Пейтел и Шоу [79], используя
поперечное рассеяние. Вскоре после них лазерный эффект наблюдали Оллвуд и
др. [80], а также Мурадян и др. [81], которые использовали продольное
рассеяние. Хотя при продольном рассеянии возникают дополнительные
трудности по отделению лазерного излучения от излучения накачки, однако
интенсивность лазерного излучения больше, чем при поперечном рассеянии.
Благодаря тому что частотный сдвиг излучения пропорционален величине
магнитной индукции В, лазеры, основанные на переворачивании спина,
представляют непрерывно перестраиваемый по частоте источник излучения и
поэтому привлекают к себе значительное внимание.
522
14. Некоторые специальные вопросы
В качестве источников излучения накачки при этом обычно использовались
СО2-лазеры с длиной волны излучения около 10,6 мкм и СО-лазеры с длиной
волны излучения около 5,3 мкм. СО-лазер обладает тем преимуществом, что
его длина волны излучения находится почти в резонансе с переходом между
начальным и промежуточным состояниями, что значительно увеличивает
интенсивность комбинационного рассеяния. Были сделаны попытки
использовать в лазерах, основанных на перевороте спина, ряд других
материалов Помимо InSb, однако ни один из них, кроме, возможно, Hg^Cdi-
jTe (см. разд. 13.8), не давал такого интенсивного рассеяния, как InSb.
Необходимость в получении непрерывно перестраиваемого узкополосного
источника в инфракрасном диапазоне спектра стимулировала проведение
большого количества работ, посвященных исследованию явления рассеяния
света с переворотом спина, уже вскоре после открытия этого явления.
Быстро появилась обширная литература, посвященная этому вопросу. Обзор
последовавших теоретических работ выполнил Скотт ([72], стр. 123). С. Д.
Смит ([71], стр. 13) и Мурадян ([71], стр. 82) рассмотрели физические
проблемы, связанные с развитием таких лазеров и их применением в
спектроскопии.
14.8. Комбинационное рассеяние на колебаниях атомов решетки
