vdgtuВестник Дагестанского государственного технического университета. Технические наукиHerald of Dagestan State Technical University. Technical Sciences2073-61852542-095XDaghestan State Technical University10.21822/2073-6185-2017-44-2-46-54vdgtu-394Research ArticleТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ, МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕTECHNICAL SCIENCE. POWER, METALLURGICAL AND CHEMICAL MECHANICAL ENGINEERINGФИЗИЧЕСКОЕ КОДИРОВАНИЕ ДАННЫХ С ПОМОЩЬЮ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ СПИНОВЫХ УСТРОЙСТВPOWER, METALLURGICAL AND CHEMICAL MECHANICAL ENGINEERING PHYSICAL DATA CODING USING POLARISING SPIN DEVICESДмитриевА. И.DmitrievA. I.

кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра информационно-математических технологий и информационного права,

127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр.9

Cand. Sci. (Physical and Mathematical), Assoc. Prof., Department of Information and Mathematical Technologies and Information Right,

9b9 Obrazcova Str., Moscow 127994

alex-dmitriev2005@yandex.ruРоссийский университет транспорта (МИИТ)РоссияRussian University of Transport (RUT - MIIT)Russian Federation2017051020174424654Copyright © Дмитриев А.И., 20172017Дмитриев А.И.Dmitriev A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.dgtu.ru/jour/article/view/394Цель

Цель. Спиновая наноэлектроника позволяет реализовать принципиально новые способы кодировании и шифрования информации при помощи спинов фотонов в волоконно- оптических линиях передачи данных.

Цель

Цель. В статье обсуждается возможность создания спинового светодиода, излучающего циркулярно-поляризованный свет. Метод. В спиновом светодиоде спин-поляризованные носители инжектируются из ферромагнитного контакта, объединенного с квантовой ямой.

Результат

Результат. Квантовые правила отбора, описывающие рекомбинацию, устанавливают связь между циркулярной поляризацией света, испускаемого вдоль нормали к поверхности, и спиновой поляризацией электронов.

Вывод

Вывод. Сформулированы физические методы кодирования и передачи информации с помощью поляризационных спиновых устройств, использующих спиновую степень свободы. Предложены принципы устройства генератора поляризованного излучения – спинового светодиода. В его основе лежит гетероструктура, содержащая квантовую яму InGaAs/GaAs (люминесцирующий слой) и ферромагнитный слой GaMnAs. Установлено, что линия излучения квантовой ямы расщеплена на две циркулярно-поляризованные компоненты, что открывает новые возможности кодирования и передачи информации в волоконно-оптических линиях передачи данных методами поляризационной модуляции. Циркулярная поляризация фотолюминесценции из квантовой ямы InGaAs/GaAs вызвана намагниченностью близкого ферромагнитного слоя GaMnAs.

Objectives

Objectives. Spin nanoelectronics facilitate fundamentally new ways of encoding and encrypting information implemented using photon spins in fibre-optic data transmission lines. The article discusses the possibility of creating a spin LED emitting circularly polarised light.

Methods

Methods. In a spin LED, spin-polarised carriers are injected from a ferromagnetic contact combined with a quantum well.

Results

Results. Quantum selection rules for describing recombination establish a connection between the circular polarisation of light, emitted along the normal to the surface, and the spin polarisation of the electrons.

Conclusion

Conclusion. Physical methods for coding and transmitting information by means of polarised spin devices using the spin degree of freedom are formulated. The configuration principles of a polarised radiation generator (spin LED) are proposed. The approach is based on a heterostructure containing the quantum well InGaAs / GaAs (luminescent layer) and the ferromagnetic layer GaMnAs. It is established that the quantum well emission line is split into two circularly polarised components, which opens up new possibilities for coding and transmission of information in fibre-optic data transmission lines by the methods of polarisation modulation. The circular polarisation of the photoluminescence from the InGaAs / GaAs quantum well is caused by the magnetisation of a nearby ferromagnetic GaMnAs layer. Acknowledgments The author is grateful to the employees of NIFTI UNN named after N.I. Lobachevsky Yu.A. Danilov and M.V. Dorokhin for samples, the employee of ISSP RAS S.V. Zaitsev for optical measurements, the employee of the Moscow State University of Railway Engineering (MIIT) V.P. Solov'ev for useful discussions. The work is partially supported by the grant of the Russian Foundation for Basic Research No. 16-07-00863a and the RF President's grant MK-5754.2016.3. 

гетероструктуры разбавленных магнитных полупроводников GaAs:Mnспинтроникаспиновый светодиодциркулярно-поляризованный светheterostructures of diluted magnetic GaAs: Mn semiconductorsspintronicsspin LEDcircularly polarised lightЮ.А. Данилов, М.В. Дорохин (НИФТИ ННГУ им. Н.И. Лобачевского); С.В. Зайцев (ИФТТ РАН); В.П. Соловьев (МИИТ); грант Российского фонда фундаментальных исследований № 16-07-00863а и грантом Президента РФReferencesНиколаев С. Н., Аронзон Б. А., Рыльков В. В., Тугушев В. В., Демидов Е. С., Левчук С. А., Лес- ников В. П., Подольский В. В., Гареев Р. Р. Аномальный эффект Холла в Si пленках, сильно ле- гированных Mn // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2009. – Т. 89. – № 12. – С. 707-712.Nikolaev S.N., Aronzon B.A., Ryl'kov V.V., Tugushev V.V., Demidov E.S., Levchuk S.A., Lesnikov V.P., Podol'skiy V.V., Gareev R.R. Anomal'nyy effekt Kholla v Si plenkakh, sil'no legirovannykh Mn. Pis'ma v ZhTF. 2009;89(12):707-712. [Nikolaev S.N., Aronzon B.A., Ryl'kov V.V., Tugushev V.V., Demidov E.S., Levchuk S.A., Lesnikov V.P., Podol'skiy V.V., Gareev R.R. Abnormal Hall effect in heavily Mn-doped Si films. Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters (JETP Letters). 2009;89(12):707-712. (in Russ.)]Дмитриев А. И., Моргунов Р. Б., Казакова О. Л., Танимото И. Спин-волновой резонанс в пленках Ge1-xMnx, обладающих перколяционным ферромагнетизмом // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2009. – Т. 135. – № 5. – С. 1134-1141.Dmitriev A.I., Morgunov R.B., Kazakova O.L., Tanimoto I. Spin-volnovoy rezonans v plenkakh Ge1- xMnx, obladayushchikh perkolyatsionnym ferromagnetizmom. ZhTF. 2009;135(5):1134-1141. [Dmitriev A. I., Morgunov R. B., Kazakova O. L., Tanimoto I. Spin-wave resonance in percolating ferromagnetic Ge1-xMnx films. Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters (JETP Letters). 2009;135(5):1134-1141. (in Russ.)]Моргунов Р. Б., Дмитриев А. И., Tanimoto Y., Кленина И. Б. Магнитный резонанс в нанопрово- локах Ge0.99Mn0.01 // Физика твердого тела. – 2007. – Т. 49. – № 2. – С. 285-290.Morgunov R.B., Dmitriev A.I., Tanimoto Y., Klenina I.B. Magnitnyy rezonans v nanoprovolokakh Ge0.99Mn0.01. Fizika tverdogo tela. 2007;49(2):285-290. [Morgunov R.B., Dmitriev A.I., Tanimoto Y., Klenina I.B. Magnetic resonance in Ge0.99Mn0.01 nano-wires. Fizika tverdogo tela. 2007;49(2):285-290. (in Russ.)]Моргунов Р. Б., Дмитриев А. И., Tanimoto Y., Kulkarni J. S. Спиновая динамика в ориентирован- ных ферромагнитных нанопроволоках Ge0.99Co0.01 // Физика твердого тела. – 2008. – Т. 50. – № 6. – С. 1058-1063.Morgunov R.B., Dmitriev A.I., Tanimoto Y., Kulkarni J.S. Spinovaya dinamika v orientirovannykh ferromagnitnykh nanoprovolokakh Ge0.99Co0.01. Fizika tverdogo tela. 2008;50(6):1058-1063. [Morgunov R.B., Dmitriev A.I., Tanimoto Y., Kulkarni J.S. Spin dynamics in oriented ferromagnetic Ge0.99Co0.01 nano-wires. Fizika tverdogo tela. 2008;50(6):1058-1063. (in Russ.)]Дмитриев А. И., Таланцев А. Д., Зайцев С. В., Данилов Ю. А., Дорохин М. В., Звонков Б. Н., Ко- плак О. В., Моргунов Р. Б. Фотолюминесцентный отклик квантовой ямы на изменение магнит- ного поля δ-слоя Mn в гетероструктурах InGaAs/GaAs // Журнал экспериментальной и теорети- ческой физики. – 2011. – Т. 140. – № 1. – С. 158-169.Dmitriev A.I., Talantsev A.D., Zaytsev S.V., Danilov Yu.A., Dorokhin M.V., Zvonkov B.N., Koplak O.V., Morgunov R.B. Fotolyuminestsentnyy otklik kvantovoy yamy na izmenenie magnitnogo polya δ- sloya Mn v geterostrukturakh InGaAs/GaAs. ZhTF. 2011;140(1):158-169. [Dmitriev A.I., Talantsev A.D., Zaytsev S.V., Danilov Yu.A., Dorokhin M.V., Zvonkov B.N., Koplak O.V., Morgunov R.B. Photoluminescence response of a quantum well onto Mn δ-layer magnetic field alteration in InGaAs/GaAs heterostructures. Journal of Experimental and Theoretical Physics (JETP). 2011;140(1):158-169. (in Russ.)]Зайцев С. В., Дорохин М. В., Бричкин А. С., Вихрова О. В., Данилов Ю. А., Звонков Б. Н., Кула- ковский В. Д. Ферромагнитное воздействие δ--слоя в GaAs барьере на спиновую поляри- зацию носителей в InGaAs/GaAs квантовой яме // Письма в Журнал экспериментальной и теоре- тической физики.– 2009. – Т. 90. – № 10. – С. 730-735.Zaytsev S.V., Dorokhin M.V., Brichkin A.S., Vikhrova O.V., Danilov Yu.A., Zvonkov B.N., Kulakovskiy V.D. Ferromagnitnoe vozdeystvie δ--sloya v GaAs bar'ere na spinovuyu polyarizatsiyu nositeley v InGaAs/GaAs kvantovoy yame. Pis'ma v ZhTF. 2009;90(10):730-735. [Zaytsev S.V., Dorokhin M.V., Brichkin A.S., Vikhrova O.V., Danilov Yu.A., Zvonkov B.N., Kulakovskiy V.D. Ferromagnetic impact of δ--layer in GaAs barrier onto carrier spin polarisation in InGaAs/GaAs quantum well. Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters (JETP Letters). 2009;90(10):730-735. (in Russ.)]Аронзон Б. А., Грановский А. Б., Давыдов А. Б., Данилов Ю. А., Звонков Б. Н., Рыльков В. В., Ускова Е. А. Свойства InGaAs/GaAs квантовых ям с δ-легированным слоем в GaAs // Физика твердого тела. – 2007. – Т. 49. – № 1. – С. 165-171.Aronzon B.A., Granovskiy A.B., Davydov A.B., Danilov Yu.A., Zvonkov B.N., Ryl'kov V.V., Uskova E.A. Svoystva InGaAs/GaAs kvantovykh yam s δ-legirovannym sloem v GaAs. FTT. 2007;49(1):165-171. [Aronzon B.A., Granovskiy A.B., Davydov A.B., Danilov Yu.A., Zvonkov B.N., Ryl'kov V.V., Uskova E.A. Properties of InGaAs/GaAs quantum wells with δ-doped layer in GaAs. Fizika tverdogo tela. 2007;49(1):165-171. (in Russ.)]Дорохин М. В., Данилов Ю.А. Измерение поляризационных характеристик излучения наногете- роструктур: учебно-методическое пособие. – Нижний Новгород: Нижегородский госуниверси- тет, 2011.Dorokhin M.V., Danilov Yu.A. Izmerenie polyarizatsionnykh kharakteristik izlucheniya nanogeterostruktur: uchebno-metodicheskoe posobie. Nizhniy Novgorod: Nizhegorodskiy gosuniversitet; 2011. [Dorokhin M.V., Danilov Yu.A. Measurement of polarisation features of nanoheterostructure emission: a Tutorial. Nizhniy Novgorod: Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod; 2011. (in Russ.)]Вихрова О. В., Данилов Ю. А., Дроздов Ю. Н., Звонков Б. Н., Iikawa F., Brasil M. J. S. P. Свойства квантово-размерных структур GaAs/InGaAs, содержащих δ-легированные слои // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2007. – № 2. – С. 9-12.Vikhrova O.V., Danilov Yu.A., Drozdov Yu.N., Zvonkov B.N., Iikawa F., Brasil M.J.S.P. Svoystva kvantovo-razmernykh struktur GaAs/InGaAs, soderzhashchikh δ-legirovannye sloi. Poverkhnost'. Rentgenovskie, sinkhrotronnye i neytronnye issledovaniya. 2007;2:9-12. [Vikhrova O.V., Danilov Yu.A., Drozdov Yu.N., Zvonkov B.N., Iikawa F., Brasil M.J.S.P. The properties of GaAs/InGaAs quantum-dimentional structures, containing δ-doped layers. Journal of Surface Investigation. XRay, Synchrotron and Neutron Techniques. 2007;2:9-12. (in Russ.)]Вихрова О. В., Данилов Ю. А., Дорохин М. В., Звонков Б. Н., Калентьева И. Л., Кудрин А. В. Ферромагнетизм в GaAs структурах с дельта-легированным Mn слоем // Письма в Журнал экс- периментальной и теоретической физики.– 2009. – Т. 35. – № 14. – С. 8-17.Vikhrova O.V., Danilov Yu.A., Dorokhin M.V., Zvonkov B.N., Kalent'eva I.L., Kudrin A.V. Ferromagnetizm v GaAs strukturakh s del'ta-legirovannym Mn sloem. Pis'ma v ZhTF. 2009;35(14):8-17. [Vikhrova O.V., Danilov Yu.A., Dorokhin M.V., Zvonkov B.N., Kalent'eva I.L., Kudrin A.V. Ferromagnetism in GaAs structures with delta-doped Mn layer. Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters (JETP Letters). 2009;35(14):8-17. (in Russ.)]Holub M., Bhattacharya P. Spin-polarized light-emitting diodes and lasers // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2007. – V. 40. – N 2. – P. R179-R203.Holub M., Bhattacharya P. Spin-polarized light-emitting diodes and lasers. J. Phys. D: Appl. Phys. 2007;40(2):R179-R203.Sperl M., Singh A., Wurstbauer U., Das S. K., Sharma A., Hirmer M., Nolting W., Back C. H., Wegscheider W., Bayreuther G. Spin-wave excitations and low-temperature magnetization in the dilute magnetic semiconductor (Ga,Mn)As // Phys. Rev. B. – 2008. – V. 77. – N 12. – P. 125212-1-7.Sperl M., Singh A., Wurstbauer U., Das S.K., Sharma A., Hirmer M., Nolting W., Back C.H., Wegscheider W., Bayreuther G. Spin-wave excitations and low-temperature magnetization in the dilute magnetic semiconductor (Ga,Mn)As. Phys. Rev. B. 2008;77(12):125212-1-7.Goennenwein S. T. B., Graf T., Wassner T. Brandt M. S., Stutzmann M., Philipp J. B., Gross R., Krieger M., Zürn K., Ziemann P., Koeder A., Frank S., Schoch W., Waag A. Spin wave resonance in Ga1- xMnxAs // Appl. Phys. Lett. – 2003. – V. 82. – N 5. – P. 730-732Goennenwein S.T.B., Graf T., Wassner T. Brandt M.S., Stutzmann M., Philipp J.B., Gross R., Krieger M., Zürn K., Ziemann P., Koeder A., Frank S., Schoch W., Waag A. Spin wave resonance in Ga1- xMnxAs. Appl. Phys. Lett. 2003;82(5):730-732.Macdonald A. H., Schiffer P., Samarth N. Ferromagnetic semiconductors: moving beyond (Ga,Mn)As // Nature materials. – 2005. – V. 4. – N 3. – P. 195-202.Macdonald A.H., Schiffer P., Samarth N. Ferromagnetic semiconductors: moving beyond (Ga,Mn)As. Nature materials. 2005;4(3):195-202.Ohno H., Matsukura F. A ferromagnetic III-V semiconductor: (Ga,Mn)As // Solid State Commun. – 2001. – V. 117. – N 3. – P. 179-186.Ohno H., Matsukura F. A ferromagnetic III-V semiconductor: (Ga,Mn)As. Solid State Commun. 2001;117(3):179-186.Edmonds K. W., Boguslawski P., Wang K. Y., Campion R. P., Novikov S. N., Farley N. R. S., Gallagher B. L., Foxon C. T., Sawicki M., Dietl T., Nardelli M. B., Bernholc J. Mn Interstitial Diffusion in (Ga,Mn)As // Phys. Rev. Lett. – 2004. – V. 92. – N 3. – P. 037201-1-4.Edmonds K.W., Boguslawski P., Wang K.Y., Campion R.P., Novikov S.N., Farley N.R.S., Gallagher B.L., Foxon C.T., Sawicki M., Dietl T., Nardelli M.B., Bernholc J. Mn Interstitial Diffusion in (Ga,Mn)As. Phys. Rev. Lett. 2004;92(3):037201-1-4.Govorov A. O., Kalameitsev A. V. Optical properties of a semiconductor quantum dot with a single magnetic impurity: photoinduced spin orientation // Phys. Rev. B. – 2005. – V. 71. – N 3. – P. 035338- 1-5.Govorov A.O., Kalameitsev A.V. Optical properties of a semiconductor quantum dot with a single magnetic impurity: photoinduced spin orientation. Phys. Rev. B. 2005;71(3):035338-1-5.Hendorfer G., Schneider J. G-factor and effective mass anisotropies in pseudomorphic strained layers // Sem. Sci. Technol. – 1991. – V. 6. – N 7. – P. 595-601.Hendorfer G., Schneider J. G-factor and effective mass anisotropies in pseudomorphic strained layers. Sem. Sci. Technol. 1991;6(7):595-601.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.