[論文レビュー] Effect of spin-orbit interaction on circular current: Pure spin current phenomena within a ring conductor

Moumita Patra|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2022

Quantum and electron transport phenomena参考文献 48被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、非対称なリング-リード結合とRSOI強度の調整を用いて、ラシバスピン軌道相互作用（RSOI）を有する量子リングで純粋なスピン円形電流を生成するメカニズムを提案する。非対称構成においてゼロフェルミエネルギーの状態では純粋な電荷電流が発生するが、対称構成では非ゼロフェルミエネルギーにより純粋なスピン電流が得られ、ジュール加熱が最小限に抑えられる。これは、スピントロニクスデバイスに向けたチューナブルで低エネルギーなルートを提供する。

ABSTRACT

A net circulating current may appear within a quantum ring under finite bias. We study the characteristic features of the circular current in the presence of Rashba spin-orbit interaction (RSOI). Both charge and spin currents appear within the ring. Whereas when the ring is symmetrically connected to the external leads, we can get a pure charge current at non-zero Fermi-energy. On the other hand, for asymmetric ring-to-leads configuration, at zero Fermi-energy, the spin current vanishes but a pure charge current flows within the ring. Tuning RSOI, we demonstrate a way to control the pure spin current externally. This new perspective of the generation of the pure spin circular current can open a new basis for the highly efficient, low energy cost spintronic devices.

研究の動機と目的

• ラシバスピン軌道相互作用（RSOI）がループ幾何学を有する量子リング内での円形電流生成に果たす役割を調査すること。
• 純粋なスピン電流が電荷電流を伴わず生成される条件を明らかにし、ジュール加熱を最小限に抑えること。
• RSOI強度の調整による純粋なスピン電流の外部制御を示すこと。
• スピントロニクス量子リング系におけるリングの対称性、フェルミエネルギー、電流特性の相関関係を分析すること。
• 磁性材料を用いない、RSOIを改変したリングを用いた低消費電力で動作するスピンベースの量子デバイスの設計原則を提示すること。

提案手法

• リング上に局在するRSOIを有する、2つの無限長リードに接続された量子リングを対象としたタイトバインディング（TB）モデルを用いる。
• ウェーブガイド形式を適用して個々のリングセグメントにおける電流を計算し、電荷電流とスピン電流を別々に分析可能にする。
• 対称的および非対称的なリング-リード接続構成の下での電流挙動を分析し、純粋なスピン電流および電荷電流の寄与を分離する。
• フェルミエネルギーおよびRSOI強度の関数としての電流を評価し、縮退点や対称性の破れ効果を特定する。
• 数値計算を用いて、さまざまなエネルギーおよび結合領域におけるスピン電流密度および電荷電流密度を抽出する。
• 軌道的角運動量の縮退の概念を用いて、対称的構成における純粋なスピン電流の発生を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラシバスピン軌道相互作用（RSOI）は、量子リング内での円形電荷電流およびスピン電流の生成にどのように影響を与えるか？
• RQ2 非極化注入のもとで、対称的量子リングにおいて純粋なスピン電流が生成される条件は何か？
• RQ3 フェルミエネルギーは、対称的および非対称なリング構成において、純粋なスピン電流の生成または抑制に果たす役割は何か？
• RQ4 電極の接続位置の変化に対して、純粋なスピン電流はどの程度頑健か？
• RQ5 RSOIの強度を外部制御のスイッチとして用いることで、純粋なスピン電流の大きさおよび方向を制御可能か？

主な発見

• 対称的リング-リード接続構成において、フェルミエネルギーが非ゼロのとき、RSOIが誘発するスピン極化輸送により、純粋なスピン電流が発生するが、ネット電荷電流はゼロである。
• 非対称構成におけるゼロフェルミエネルギーでは、スピン電流は消え、純粋な電荷電流が流れることを示し、フェルミエネルギーの調整により電流タイプを切り替えられることを示している。
• スピン電流密度はE = 0の周りで反対称であるため、非ゼロフェルミエネルギーが純粋なスピン電流生成に不可欠であることが確認された。
• 純粋なスピン電流は、電極の配置に対して頑健であるが、電荷電流は接続幾何に敏感である。
• RSOI強度の調整により、純粋なスピン電流の大きさおよび方向を外部から制御可能であり、動的制御が可能である。
• 円形電流は、電圧の増加に伴い電流が減少する負微分抵抗（NDR）を示すことがあるのに対し、全体のドレイン電流は増加する。