[論文レビュー] Coherent Electron Zitterbewegung

I. Stepanov, Manfred Ersfeld+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2016

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、光学的励起を用いたスピンアンサンブルを介して、歪みを加えたn-InGaAsでコherent electron Zitterbewegung (CEZ)を実験的に示した。磁場下でのスピン進化がGHz周波数の交流電流を駆動する。CEZの振幅はスピン軌道結合の強さおよびラーモア周波数に線形に比例し、動的生成メカニズムの確認と、固体系における超高速スピン感受性電気的検出の実現を可能にする。

ABSTRACT

Zitterbewegung is a striking consequence of relativistic quantum mechanics which predicts that free Dirac electrons exhibit a rapid trembling motion even in the absence of external forces. The trembling motion of an electron results from the interference between the positive and the negative-energy solutions of the Dirac equation, separated by one MeV, leading to oscillations at extremely high frequencies which are out of reach experimentally. Recently, it was shown theoretically that electrons in III-V semiconductors are governed by similar equations in the presence of spin-orbit coupling. The small energy splittings up to meV result in Zitterbewegung at much smaller frequencies which should be experimentally accessible as an AC current. Here, we demonstrate the Zitterbewegung of electrons in a solid. We show that coherent electron Zitterbewegung can be triggered by initializing an ensemble of electrons in the same spin states in strained n-InGaAs and is probed as an AC current at GHz frequencies. Its amplitude is shown to increase linearly with both the spin-orbit coupling strength and the Larmor frequency of the external magnetic field. The latter dependence is the hallmark of the dynamical generation mechanism of the oscillatory motion of the Zitterbewegung. Our results demonstrate that relativistic quantum mechanics can be studied in a rather simple solid state system at moderate temperatures. Furthermore, the large amplitude of the AC current at high precession frequencies enables ultra-fast spin sensitive electric read-out in solids.

研究の動機と目的

• 実験的にアクセス可能な周波数で固体系におけるコherent electron Zitterbewegung (CEZ) を実証すること。
• スピン軌道結合および外部磁場がCEZの生成と制御に果たす役割を調査すること。
• 磁性材料を必要としない、スピン駆動型の電気的プローブを構築し、電子スピン進化の超高速検出を可能とすること。
• 中程度の温度で半導体における相対論的量子効果を研究するためのスケーラブルなプラットフォームを確立すること。
• k線形スピン軌道結合およびゼーマン分裂を有する系でZitterbewegungが発現するという理論的予測を検証すること。

提案手法

• [001]方向に同一のスピン状態を持つ電子スピンアンサンブルを、円偏光3 psレーザーパルスによる光学励起で初期化する。
• x軸方向に磁場を印加し、GHz周波数でラーモア進化を誘発させ、電子の空間的コherentな振動を駆動する。
• 50 GHzでサンプリングされるコプラナー波ガイドを介した時間分解電気的検出により、発生する交流電流を測定する。
• 線形偏光プローブパルスを用いたTRFRポンププローブ法により、ファラデー回転角を測定し、スピン進化ダイナミクスをモニタリングする。
• 直流電流を印加して内部磁場を生成し、その際の進化周波数シフトからβ_yxを抽出することで、スピン軌道結合強度β_yxを測定する。
• 4つの結晶方向にわたり7つのデバイスで系統的な変動を実施し、CEZ振幅とβ_yxとの相関関係を評価し、線形依存性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 III-V半導体ヘテロ構造において、実験的にアクセス可能な周波数でコherent electron Zitterbewegungを観測できるか？
• RQ2 Zitterbewegungに起因する交流電流の振幅は、スピン軌道結合の強さおよびラーモア周波数にどのように依存するか？
• RQ3 観測された周期的電流は、スピン進化とスピン軌道結合を含む動的生成メカニズムの直接的結果であるか？
• RQ4 Zitterbewegungは、外部磁性材料を必要とせず、スピン感受性の電気的プローブとして利用可能か？
• RQ5 歪みおよび結晶方位は、有効なスピン軌道結合およびCEZ応答をどのように制御するか？

主な発見

• 歪みを加えたn-InGaAsにおいて、GHz周波数の交流電流としてコherent electron Zitterbewegungを実験的に観測し、最大1.2 nAの測定可能な振幅を達成した。
• 交流電流の振幅は、スピン軌道結合強度β_yxおよびラーモア周波数ω_Lに線形に比例し、動的生成メカニズムの確認がなされた。
• 7つのデバイスにおけるβ_yxに対する電流振幅の依存性は明確な線形傾向を示し、スピン軌道結合系におけるZitterbewegungの理論的モデルの妥当性が裏付けられた。
• スピンデコherence時間T₂*は約2 nsであり、運動量緩和時間τ_p = 143 fsよりも顕著に長く、コherentなダイナミクスが可能であることを示した。
• 本システムは50 Kで動作し、中程度の温度で相対論的量子効果を固体系で研究可能であることを示した。
• 検出方式はスピン軌道相互作用にのみ依存しており、磁性材料を必要とせず、超高速でスピン感受性の電気的リードアウトを可能にした。