[論文レビュー] Many-body corrections to ESR energy and spin-wave excitations in two-dimensional systems with Bychkov-Rashba spin splitting

S. S. Krishtopenko|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2013

Quantum and electron transport phenomena参考文献 57被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、構造的相反性に起因するBychkov-Rashbaスピン分裂を示す二次元系における電子-電子（e-e）相互作用が、電子スピン共鳴（ESR）およびスピン波励起に与える影響を調査する。Hartree-Fock近似を用いて、e-e相互作用がESRエネルギーを増大させもしくは減少させうることを示しており、その効果はg因子の符号およびLandau準位の充満因子に極めて敏感であり、特にν ≤ 2の場合に顕著である。

ABSTRACT

We report effects of electron-electron (\emph{e-e}) interaction on electron spin resonance (ESR) in perpendicular magnetic field in two-dimensional (2D) systems with Bychkov-Rashba spin splitting induced by spin-orbit interaction (SOI) and structural inversion asymmetry (SIA). Using the Hartree-Fock approximation, we demonstrate that the SIA results in non-zero many-body corrections to the ESR energy and the energy of spin wave excitations. We discover that the \emph{e-e} interaction in 2D systems with SIA not only can enhance the ESR energy but can also lead to the ESR energy reduction. The magnitude of this effect exhibits remarkable features in a wide range of parameters relevant to experiment: it is found to be rather sensitive to the sign of g-factor and the filling factor of Landau levels $ν$. We derive analytical expressions for many-body corrections to ESR energy and the dispersion of spin wave excitations for the case of $ν\leq 2$. We have found out that \emph{e-e} interaction does not affect the ESR energy in the case of filling of the lowest Landau level ($ν\leq 1$) in 2D systems with positive g-factors even at arbitrarily large values of Bychkov-Rashba constant. The many-body renormalization of ESR energy in the case of fractional Quantum Hall effect is also discussed.

研究の動機と目的

• 構造的相反性に起因するBychkov-Rashbaスピン分裂を示す二次元系における電子-電子（e-e）相互作用が、電子スピン共鳴（ESR）エネルギーに与える影響を調査すること。
• 多体補正が垂直磁場存在下でのスピン波（SW）励起の分散に与える影響を検討すること。
• ESRエネルギーのシフトがg因子の符号およびLandau準位の充満因子νにどのように依存するかを特定すること。
• ν ≤ 2の場合のESRエネルギーおよびSW分散に対する多体補正の解析的表現を導出すること。
• 特に最低Landau準位でg因子が正の場合にe-e相互作用がESRエネルギーに影響を及ぼさない条件を明確にすること。

提案手法

• Hartree-Fock近似（HFA）を用いて、単粒子ESRエネルギーおよびスピン波励起エネルギーに対する多体補正を計算する。
• 線形運動量依存のBychkov-Rashbaスピン軌道結合項を有する単バンド有効質量近似を用いて系をモデル化する。
• 垂直磁場およびLandau準位の量子化を含め、充満因子ν ≤ 2に注目する。
• 交換および相関効果の寄与を含めた、ESRエネルギーおよびスピン波分散に対する多体補正の解析的表現を導出する。
• ESRおよびSWエネルギーのシフトがBychkov-Rashba定数α、g因子の符号、および充満因子νにどのように依存するかを分析する。
• α（0, 0.3, 0.5 eV·Å）およびg*（±0.4）の異なる値について比較することで、系のパラメータに依存する感度を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子-電子相互作用は、構造的相反性に起因するBychkov-Rashbaスピン分裂を示す二次元系における電子スピン共鳴（ESR）エネルギーにどのように影響を与えるか？
• RQ2 多体ESRエネルギー補正がg因子の符号およびLandau準位の充満因子νにどのように依存するか？
• RQ3 このような系において電子-電子相互作用がESRエネルギーに影響を及ぼさない条件は何か？
• RQ4 Bychkov-Rashbaスピン分裂定数αはスピン波励起の分散にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ν ≤ 2の場合の多体補正のESRエネルギーおよびスピン波分散に対する解析的表現は何か？

主な発見

• 構造的相反性（SIA）を有する二次元系における電子-電子相互作用は、スピン回転対称性を有する系とは異なり、非ゼロの多体補正をESRエネルギーに与える。
• e-e相互作用はg因子の符号およびLandau準位の充満因子νに応じて、ESRエネルギーを増大させもしくは減少させうる。
• ν ≤ 1およびg因子が正の場合、任意に大きなBychkov-Rashba定数に対してもe-e相互作用はESRエネルギーに影響を及ぼさない。
• ESRエネルギーに対する多体補正は、磁場の関数として振動的挙動を示し、g因子の符号およびνに強く依存する。
• スピン波励起分散はBychkov-Rashba定数αによって顕著に変化し、波数kに関する線形項、二次項および定数項の寄与が存在する。
• ν = 1およびg* > 0の場合、k → 0においてスピン波エネルギーの多体シフトはゼロに近づくが、g* < 0の場合は小波数kにおいてより顕著な負のシフトを示す。