[論文レビュー] Mesoscopics in Spintronics: Conductance Fluctuations of Spin-Polarized Electrons

Branislav K. Nikolić, J. K. Freericks|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2001

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、ラッシュバスピン軌道結合と不純物を有する2次元量子コherent系におけるスピン極化輸送を研究するため、実空間⊗スピン空間グリーン関数を用いたランドアウアー型形式主義を展開する。強いラッシュバ結合は局在化を抑制し、特異な量子干渉を引き起こし、特定のスピン極化および不純物条件下で、平行および反平行磁化配置間の導電度差が負となることを明らかにする。

ABSTRACT

We generalize a Landauer-type formula, using a real$\otimes$spin-space Green function technique, to treat spin-dependent transport in quantum-coherent conductors attached to two ferromagnetic contacts. The formalism is employed to study the properties of components of an exact zero-temperature conductance matrix ${\bf G}$, as well as their mesoscopic fluctuations, describing injection and detection of a spin-polarized current in a two-dimensional system where electrons exhibit an interplay between Rashba spin-orbit (SO) coupling and phase-coherent propagation through a disordered medium. Strong Rashba coupling leads to a dramatic reduction of localization effects on the conductances and their fluctuations, whose features depend on the spin-polarization of injected electrons. In the limit of weak Rashba interaction antilocalization vanishes (i.e., the sum of the matrix elements of ${\bf G}$ is almost independent of the SO coupling), but the partial spin-resolved conductances can still be non-zero. Besides spin-resolved conductance fluctuations and antilocalization, unusual quantum interference effects are revealed in this system leading to a negative difference between the partial conductances for a parallel and an antiparallel orientation of the contact magnetization, in a range of disorder strengths and for a particular spin-polarization of incoming electron with respect to the direction of Rashba electric field.

研究の動機と目的

• 鉄磁性接点を有する量子コherent導体におけるスピン依存輸送を扱うために、ランドアウアー形式主義を拡張すること。
• ラッシュバスピン軌道結合が不純物を有する2次元電子系における導電度フラクチュエーションおよび局在化効果に与える影響を調査すること。
• メソスコピック輸送におけるスピン極化電子注入、位相コherー二ンス、およびスピン軌道結合の相乗的相互作用を分析すること。
• 特定の不純物およびスピン極化条件下で、スピン分解導電度に現れる新しい量子干渉効果を解明すること。

提案手法

• スピン依存輸送の一般化されたランドアウアー公式を導出するために、実空間⊗スピン空間グリーン関数技法が用いられる。
• この形式主義により、ラッシュバスピン軌道結合を有する系における正確な零温度導電度行列 G が計算される。
• この手法は、不純物媒体内を位相コherentに伝搬する過程および鉄磁性接点からのスピン極化注入を考慮する。
• 導電度フラクチュエーションは、ラッシュバ結合強度、不純物、およびラッシュバ場に対するスピン極化方向の関数として分析される。
• この手法により、平行および反平行磁化配置における部分導電度およびそのフラクチュエーションが計算可能となる。
• 数値的および解析的解法を用いて、スピン軌道および不純物パラメータの変化に伴う導電度行列要素の挙動を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラッシュバスピン軌道結合は、スピン極化メソスコピック系における導電度フラクチュエーションおよび局在化にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ラッシュバ電場に対するスピン極化方向の役割は、導電度異方性を決定づけるか？
• RQ3 強いラッシュバ結合の存在下で、反局在化効果は抑制または変更可能か？
• RQ4 平行と反平行磁化配置間の部分導電度差が負となる原因は何か？
• RQ5 特定の不純物およびスピン極化条件下で、スピン分解輸送に現れる新しい量子干渉効果は何か？

主な発見

• 強いラッシュバ結合は、スピン極化系における導電度およびそのフラクチュエーションの両方の局在化効果を顕著に低減する。
• 弱いラッシュバ結合領域では、反局在化効果は消滅する——導電度行列要素の和はスピン軌道結合にほとんど依存しなくなる。
• 反局在化効果が消滅しても、部分スピン分解導電度は非ゼロのまま残り、継続的なスピン依存輸送が存在することを示す。
• 特異な量子干渉効果により、平行および反平行磁化配置間の部分導電度差が負となる。
• この負の導電度差は、特定のラッシュバ場に対するスピン極化方向および不純度強度の範囲内で現れる。
• 本研究の結果は、ラッシュバ結合に伴う導電度フラクチュエーションの非単調な依存関係を示し、異なるスピンチャネルで顕著な差が生じることを明らかにする。