[論文レビュー] Antiferromagnetic s-d exchange coupling in GaMnAs

Roberto C. Myers, Martino Poggio+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2005

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、希薄なGaMnAs/AlGaAs量子井戸における時間分解 Kerr 回転測定により、GaMnAsにおけるs-d交換結合が反強磁性的（負値）であることが示された。バルクGaMnAsにおける交換パラメータ $N_0\alpha$ は、$-0.09 \pm 0.03$ eV に外挿され、これは既存のDMS理論の予測を裏付けるものではなく、この希薄な磁性半導体に以前報告されていなかった反強磁性的なs-d相互作用を明らかにしている。

ABSTRACT

Measurements of coherent electron spin dynamics in Ga(1-x)Mn(x)As/Al(0.4)Ga(0.6)As quantum wells with 0.0006% < x < 0.03% show an antiferromagnetic (negative) exchange bewteen s-like conduction band electrons and electrons localized in the d-shell of the Mn2+ impurities. The magnitude of the s-d exchange parameter, N0 alpha, varies as a function of well width indicative of a large and negative contribution due to kinetic exchange. In the limit of no quantum confinement, N0 alpha extrapolates to -0.09 +/- 0.03 eV indicating that antiferromagnetic s-d exchange is a bulk property of GaMnAs. Measurements of the polarization-resolved photoluminescence show strong discrepancy from a simple model of the exchange enhanced Zeeman splitting, indicative of additional complexity in the exchange split valence band.

研究の動機と目的

• 希薄なGaMnAs量子井戸におけるs-d交換結合の符号と大きさを特定すること。
• 量子閉じ込め効果がGaMnAsにおけるs-d交換相互作用に与える影響を調査すること。
• 偏光分解光励起分光法による価電子帯交換分裂の不一致を解明すること。
• 反強磁性的なs-d結合がGaMnAsのバルク性質であるかどうかを検証すること。
• 非線形ゼーマン効果が存在する状況における交換分裂の標準モデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• 電子スピンの進動を測定し、ラーモア周波数を抽出するために、ボルトジア幾何学における時間分解 Kerr 回転測定を実施。
• Mn濃度 $x < 0.03\%$ で、幅3〜10 nmのGaMnAs/Al0.4Ga0.6As量子井戸を用いる。
• スピン極化ダイナミクスの測定により、Mn 2+ スピン整列に起因するラーモア周波数シフトを介して $N_0\alpha$ を決定。
• 価電子帯におけるゼーマン分裂および交換分裂を抽出するために、偏光分解光励起分光法を用いる。
• ドーピングされた試料の非磁性PLデータを差し引くことで、$\Delta E_{sp-d}$ を分離。
• 非線形磁場依存性を補正した上で、$\Delta E_{sp-d}$ を $xN_0(\alpha - \beta)\langle S_x \rangle$ にフィッティングし、$N_0\beta$ を推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GaMnAsにおけるs-d交換結合は反強磁性的であり、その符号と大きさは何か？
• RQ2 GaMnAs量子井戸における量子閉じ込め効果は、s-d交換結合にどのように影響を与えるか？
• RQ3 観測されたs-d結合はバルク極限において負値に外挿されるか？
• RQ4 高磁場領域における観測された光励起分光データを説明できない標準的モデルの交換分裂はなぜ失敗するのか？
• RQ5 GaMnAsにおけるp-d交換結合 $N_0\beta$ の値は何か？また、量子井戸幅に依存してどのように変化するか？

主な発見

• GaMnAsにおけるs-d交換結合は反強磁性的であり、測定されたすべての量子井戸で $N_0\alpha < 0$ である。
• 量子井戸幅が小さくなるに従い、$N_0\alpha$ の絶対値が増大（より負に）する傾向を示し、運動的交換効果の寄与が示唆される。
• バルク極限への外挿により $N_0\alpha = -0.09 \pm 0.03$ eV が得られ、反強磁的s-d結合がGaMnAsのバルク性質であることが確認された。
• 量子閉じ込めに起因する $N_0\alpha$ の変化は最大で $-740$ meV に達し、II-VI系DMSに比べて顕著に大きい。
• 偏光分解光励起分光法により、ゼーマン分裂に顕著な非線形性が観測され、$\Delta E_{gex}$ の単純線形モデルは無効であることが示された。
• 3 nm, 5 nm, 7.5 nmの量子井戸でそれぞれ $+17.7 \pm 1.6$, $+98.0 \pm 7.3$, $-11.5 \pm 6.1$ eV の $N_0\beta$ の推定値が得られ、価電子帯混合の影響によりモデルの不完全性が示された。