[論文レビュー] Electrical spin protection and manipulation via gate-locked spin-orbit fields

Florian Dettwiler, Jiyong Fu+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2014

Quantum and electron transport phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ガリウムヒ素量子井戸において、電気的に調整可能でゲート固定されたスピン軌道（SO）場を実証し、独立したラシバ（$\alpha$）およびドレゼルハウス（$\beta$）SO場の調整によって、電子スピンの同時制御と保護を可能にした。二重トップゲートおよびバックゲートを用いることで、$\alpha = \beta$ の連続的かつイン・スイット鎖定が達成され、スピンの緩和が抑制され、スピントロニクス素子に不可欠な広範囲かつ調整可能なスピン保護が実現された。

ABSTRACT

The spin-orbit (SO) interaction couples electron spin and momentum via a relativistic, effective magnetic field. While conveniently facilitating coherent spin manipulation in semiconductors, the SO interaction also inherently causes spin relaxation. A unique situation arises when the Rashba and Dresselhaus SO fields are matched, strongly protecting spins from relaxation, as recently demonstrated. Quantum computation and spintronics devices such as the paradigmatic spin transistor could vastly benefit if such spin protection could be expanded from a single point into a broad range accessible with in-situ gate-control, making possible tunable SO rotations under protection from relaxation. Here, we demonstrate broad, independent control of all relevant SO fields in GaAs quantum wells, allowing us to tune the Rashba and Dresselhaus SO fields while keeping both locked to each other using gate voltages. Thus, we can electrically control and simultaneously protect the spin. Our experiments employ quantum interference corrections to electrical conductivity as a sensitive probe of SO coupling. Finally, we combine transport data with numerical SO simulations to precisely quantify all SO terms.

研究の動機と目的

• ガリウムヒ素量子井戸において、広範囲かつイン・スイットの電気的制御を実現しながらスピン保護を維持すること。
• トップゲートおよびバックゲートを用いて、ラシバ（$\\alpha$）およびドレゼルハウス（$\\beta$）SO場を分離し、独立して調整すること。
• スピン緩和が $\\alpha = \\beta$ のとき強く抑制されることを実証し、長時間のスピンコherence時間を実現すること。
• 輸送測定とシミュレーションを用いて、三次のドレゼルハウス項（$\\beta_3$）を正確に定量し、スピン位相崩壊への影響を評価すること。
• スピントロニクス応用を想定し、ラシバ、ドレゼルハウス、バランス型の複数の領域におけるSO場の調整法を確立すること。

提案手法

• トップゲートとバックゲートの二重ゲート構造を採用し、ゲート電圧 $V_T$ と $V_B$ を用いてキャリア密度 ($n$) とラシバSO場 ($\\alpha$) を独立して制御した。
• SO結合の強さと対称性の感受性なプローブとして、弱い局在化（WL）および弱い反局在化（WAL）の磁場依存電導度測定を用いた。
• 自己無撞着なシュレーディンガー＝ポアソンシミュレーションを用いて、$\\alpha$、$\\langle k_z^2 \rangle$、$\\beta_1$ を抽出し、$\\gamma$ は $\\alpha = \\beta$ 条件から抽出した。
• WAL曲線の最小値からスピン位相崩壊時間 $\\tau_{\\rm SO}$ を計算し、$\\tau_{\\rm SO} = \\hbar / (4e D B_{\\rm SO})$ を用いた。ここで $B_{\\rm SO}$ は最小値における磁場である。
• D’yakonov-Perel機構に基づく有効スピン位相崩壊時間 $\\tau_{\\rm eff}$ を、スピン定量化軸の平均化を考慮し、三次の $\\beta_3$ 項に対する補正を加えた。
• シミュレーションを実験的WAL/WLデータにフィットさせることで結果を検証し、$\\gamma = 11.6 \pm 1\ \mathrm{eV\AA^3}$ を得たが、誤差は約10%であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガリウムヒ素2DEGにおいて、二重ゲート制御を用いてラシバおよびドレゼルハウススピン軌道場を独立して調整可能か？
• RQ2 ゲート電圧の広範囲にわたり $\\alpha = \\beta$ の条件を維持できるか、これによりスピン保護を長時間実現できるか？
• RQ3 三次のドレゼルハウス項（$\\beta_3$）は、$\\alpha = \\beta$ 時においてもスピン寿命を制限する役割を果たすか？
• RQ4 SO結合の存在下で、ゲートによって誘起される $\\alpha$ および $\\beta_3$ の調整が、スピン位相崩壊時間および長さにどのように影響するか？
• RQ5 異なる量子井戸幅およびドーピングプロファイルにおいて、バルクドレゼルハウスパラメータ $\\gamma$ を一貫して抽出可能か？

主な発見

• 二重ゲート制御により、ラシバ場（$\\alpha$）とキャリア密度（$n$）の独立した調整が可能であり、$\\alpha$ は連続的に調整可能で符号の反転も可能である。
• バックゲート電圧によって $\\beta_3$ を調整しながら $\\alpha = \\beta$ を固定することで、$\\alpha$ のさまざまな値において広範囲かつイン・スイットのスピン保護が実現された。
• ドレゼルハウスパラメータ $\\gamma$ は $11.6 \pm 1\ \mathrm{eV\AA^3}$ として抽出され、幅が異なるが非対称にドーピングされた量子井戸においても一貫性を示した。
• 三次のドレゼルハウス項（$\\beta_3$）は、高密度（$n = 9 \cdot 10^{11}\ \mathrm{cm^{-2}}$）においてスピン位相崩壊に顕著な影響を及ぼし、$\\alpha = \\beta$ 時でもWALが依然として観測された。
• WALの最小値からスピン位相崩壊時間 $\\tau_{\\rm SO}$ を抽出し、$\\tau_{\\rm SO} \propto 1/B_{\\rm SO}$ の関係が得られた。ここで $B_{\\rm SO}$ は実験的曲線から決定された。
• 有効スピン位相崩壊長 $\\lambda_{\rm eff} = \sqrt{2D\tau_{\rm eff}}$ を計算した。ここで $\\tau_{\rm eff}$ には、特に高密度時における $\\beta_3$ 項の補正が含まれていた。