[論文レビュー] Gate-controlled anisotropy in Aharonov-Casher spin interference

Fumiya Nagasawa, A. A. Reynoso+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2018

Quantum and electron transport phenomena参考文献 24被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、InGaAsメソスコピックリングを用いたアハロノフ＝カッシャースピン干渉計において、ゲート電圧と平面内磁場の方向がスピン位相に与える影響を示した。ラシュバおよびドレセルハウススピン軌道相互作用の競合が、平面内磁場の方向に依存するAC抵抗振幅を調制する。主な発見は、電気的に誘発される異方性の反転であり、これは線形ドレセルハウススピン軌道結合の符号変化によって説明され、電気的および磁気的チューニングによりスピンダイナミクスおよび幾何位相を完全に制御可能であることを示している。

ABSTRACT

The Aharonov-Casher (AC) effect shows that the quantum spin phase can be modified by an electric field. This effect is fundamental in quantum mechanics and its applications, where AC interferometers are invaluable to probe spin-phase information. We demonstrate a gate-controlled anisotropy in AC spin interferometry using InGaAs mesoscopic rings. The coexistence of Rashba and Dresselhaus spin-orbit interactions (SOIs) manifests as an AC resistance amplitude modulated by the direction of a probe in-plane magnetic field. We establish ways to manipulate spin dynamic and geometric phases freely by employing electric and magnetic tunings. Our experimental results are well explained by perturbation theory and numerical analysis performed at constant Dresselhaus SOI, except for one particular anisotropy reversal. The observation of such a particular AC anisotropy reversal is explained as sign change in linear Dresselhaus SOI by electric means.

研究の動機と目的

• 競合するラシュバおよびドレセルハウススピン軌道相互作用を有するメソスコピックリングにおける、ゲート電圧および平面内磁場の方向がスピン干渉に与える影響を調査すること。
• 電場および磁場の併用チューニングにより、スピンダイナミクスおよび幾何位相を制御する方法を検討すること。
• アハロノフ＝カッシャー抵抗調制において以前観察されていなかった異方性反転の起源を解明すること。

提案手法

• スピン軌道結合を有する電子系を実現するため、ゲート電圧で調整可能なラシュバおよびドレセルハウススピン軌道相互作用を有するInGaAsメソスコピックリングの作製。
• ゲート電圧を用いてスピン軌道結合の強度を電気的にチューニングし、線形ドレセルハウス項の符号変化を誘発する。
• 平面内磁場の方向およびゲート電圧を変化させたときのアハロノフ＝カッシャー抵抗振動の測定。
• ドレセルハウススピン軌道相互作用を一定と仮定した摂動理論および数値シミュレーションを用いて実験データをモデル化。
• 実験的異方性パターンと理論的予測を比較し、特に異方性反転の偏差を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 競合するラシュバおよびドレセルハウススピン軌道相互作用が存在する中で、平面内磁場の方向がアハロノフ＝カッシャー抵抗振幅に与える影響は何か？
• RQ2 ゲート電圧がメソスコピックリングにおけるスピン干渉パターンの異方性を反転させることができるか？
• RQ3 観察された異方性反転の背後にある物理的メカニズムは何か？また、ドレセルハウススピン軌道結合の符号変化とどのように関係しているか？
• RQ4 電場および磁場を用いて、スピンダイナミクスおよび幾何位相をどれほど独立して制御できるか？
• RQ5 摂動理論および数値シミュレーションは、観察された抵抗調制および異方性反転をどれほどよく説明できるか？

主な発見

• ラシュバおよびドレセルハウススピン軌道相互作用の共存により、アハロノフ＝カッシャー抵抗振幅は平面内磁場の方向に強く依存する。
• ゲート電圧によって抵抗調制における異方性が逆転し、スピン干渉パターンの電気的制御が実証された。
• 異方性反転は実験的に観察され、ゲート電圧によって誘発された線形ドレセルハウススピン軌道結合の符号変化に起因するとされた。
• 一定のドレセルハウスSOIを仮定した摂動理論および数値解析は、大部分の実験データを説明できるが、異方性反転の特定の状況を除いては不十分である。
• 両方のスピンダイナミクスおよび幾何位相が、電場および磁場の併用チューニングにより自由に制御可能であることが確認された。