[論文レビュー] Chiral tunneling of topological states for giant longitudinal spin Hall angle

K. M. Masum Habib, Redwan N. Sajjad+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2014

Quantum and electron transport phenomena被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、3次元トポロジカル絶縁体におけるキラルトンネル効果とスピン運動量ロックインが、反射界面におけるスピン電流の増幅と電荷電流の抑制によって、巨大な縦方向スピンホール角（約20）を実現することを示している。透過端では、電子は完全にスピン極化されており、スピン電流と電荷電流の比がほぼ1に近い状態にあり、ゲート制御による量子トンネル効果を通じて効率的なスピンフィルタリングと増幅が可能となる。

ABSTRACT

We show that the interplay between chiral tunneling and spin-momentum locking of helical surface states leads to spin amplification and filtering in a 3D Topological Insulator (TI). Chiral tunneling across a TI pn junction allows normally incident electrons to transmit, while the rest are reflected with their spins flipped due to spin-momentum locking. The net result is that the spin current is enhanced while the dissipative charge current is simultaneously suppressed, leading to an extremely large, gate tunable spin to charge current ratio (~20) at the reflected end. At the transmitted end, the ratio stays close to one and the electrons are completely spin polarized.

研究の動機と目的

• キラルトンネル効果とスピン運動量ロックインが3次元トポロジカル絶縁体においてスピン電流を増幅すると同時に電荷電流を抑制するメカニズムを解明すること。
• ゲート制御下における3次元トポロジカル絶縁体のpn接合におけるスピン電流と電荷電流の比を調査すること。
• ヘリカル表面状態における量子トンネルメカニズムを通じて、スピンフィルタリングと増幅を実現すること。
• トポロジカル絶縁体において、ゲート制御可能な巨大な縦方向スピンホール角を実証すること。

提案手法

• ヘリカル表面状態のキラルトンネルを用いて、3次元トポロジカル絶縁体のpn接合を横切る電子輸送をモデル化する。
• スピン運動量ロックインを活用し、トンネル過程における反射電子のスピン反転を誘発する。
• 透過および反射界面におけるスピン電流成分と電荷電流成分を分析する。
• ゲート電圧を用いてトンネル透過確率および反射確率を調整する。
• 量子輸送理論を用いてスピンホール角および電流比を計算する。
• スピン運動量ロックインおよびキラルトンネル状態下における垂直入射電子の挙動をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元TIのpn接合におけるキラルトンネル効果が、スピン電流と電荷電流の分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 スピン運動量ロックインが、電子の反射過程におけるスピン増幅をどのように可能にするか？
• RQ3 スピン電流と電荷電流の比をゲートでチューニングすることで、巨大な縦方向スピンホール角を達成できるか？
• RQ4 なぜ透過電子ビームは完全にスピン極化しているのに対し、反射ビームは増幅されたスピン電流を示すのか？
• RQ5 この系において、散逸的電荷電流を抑制すると同時にスピン電流を増幅するメカニズムは何か？

主な発見

• キラルトンネル効果とスピン運動量ロックインのおかげで、反射端でのスピン電流と電荷電流の比は約20に達する。
• スピンホール角はゲート電圧でチューニング可能であり、反射界面では巨大な値（約20）に達する。
• 透過端では、スピン電流と電荷電流の比は1に近く保たれ、電荷電流の漏れが最小限に抑えられている。
• ヘリカル表面状態の性質のおかげで、透過端の電子は完全にスピン極化している。
• 反射電子は増幅されたスピン電流を示し、散逸的電荷電流は抑制されているため、効率的なスピンフィルタリングが可能である。
• この系は、トポロジカル絶縁体における量子トンネル効果を通じて、スピン増幅と電荷電流抑制を同時に実現している。