[論文レビュー] Nanosecond spin-transfer over tens of microns in a bare GaAs/AlGaAs layer

Lukáš Nádvorník, Petr Němec+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2015

Quantum and electron transport phenomena参考文献 19被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、ドーピングされておらず、表面が露出したGaAs/AlGaAsエpitaxial層において、10ミクロンを超える距離でナノ秒スケールのスピン輸送を実証した。これは、内在的な高い電子移動度と電子-正孔再結合の抑制に起因する。長寿命のスピン状態と高い移動度の組み合わせにより、ドーピングやヘテロ構造の設計を必要とせず、超高速で長距離のスピン輸送が可能である。

ABSTRACT

The spin-conserving length-scale is a key parameter determining functionalities of a broad range of spintronic devices including magnetic multilayer spin-valves in the commercialized magnetic memories or lateral spin transistors in experimental spin-logic elements. Spatially resolved optical pump-and-probe experiments in the lateral devices allow for the direct measurement of the lengthscale and the time-scale at which spin-information is transferred from the injector to the detector. Using this technique, we demonstrate that in an undoped GaAs/AlGaAs layer spins are detected at distances reaching more than ten microns from the injection point at times as short as nanoseconds after the pump-pulse. The observed unique combination of the long-range and highrate electronic spin-transport requires simultaneous suppression of mechanisms limiting the spin life-time and mobility of carriers. Unlike earlier attempts focusing on elaborate doping, gating, or heterostructures we demonstrate that the bare GaAs/AlGaAs layer intrinsically provides superior spin-transport characteristics whether deposited directly on the substrate or embedded in complex heterostructures.

研究の動機と目的

• ドーピングや複雑なヘテロ構造を用いずに、単純なドーピングされていないGaAs/AlGaAsヘテロ構造で長距離かつ高速なスピン輸送を実現すること。
• 通常、ドーピングまたはモードュレーションドーピングされた半導体で見られる、長寿命スピン状態と高い電子移動度のトレードオフを克服すること。
• 裸のGaAs/AlGaAsにおける内在的物性が、スピントロニクス素子に適したスピン輸送を可能にすることを示すこと。
• 時間的および空間的分解能を有する光学ポンプ・プローブ法を用いてスピン拡散長およびスピン寿命を測定すること。
• ホール測定およびテラヘルツ分光法を用いて、系の電子的性質を検証すること。

提案手法

• 12.5 ns繰り返しレートのモードロックTi:サファイアレーザー（815 nm）を用いた、時間的および空間的分解能を有する磁気光学ポンプ・プローブ分光法。
• スピン極化された電子を生成するための右回り円偏光ポンプビームと、スピン依存反射率を検出するための線形偏光プローブビームの使用。
• 20×のオプティカルレンズ（0.4 NA）を用いて、2 μm未満の空間分解能を達成し、スピン拡散のマッピングを実現。
• ポンプビームの焦点を2次元に走査し、時間遅れを変化させながら、スピン注入点から検出器へのスピン拡散を測定。
• 18 Kで実施した電気的ホール測定により、キャリア移動度を決定し、自由キャリアの存在を確認。
• テラヘルツ時間領域分光法を用いて一時的導電度をプローブし、電子-正孔ペアの空間的分離を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内在的なGaAs/AlGaAs層は、ナノ秒スケールで数十ミクロンの距離にわたってスピン輸送を支えることができるか？
• RQ2 光学励起下でのドーピングされていないGaAs/AlGaAsエpitaxial層におけるスピン拡散長およびスピン寿命は何か？
• RQ3 意図的なドーピングの欠如が、この系におけるスピン寿命および電子移動度に与える影響は何か？
• RQ4 長寿命スピン状態と高い電子移動度の両立が、単純なドーピングされていない半導体構造で達成可能か？
• RQ5 自己形成電場が電子-正孔再結合を抑制し、スピン寿命を延長する役割を果たすか？

主な発見

• 10 Kでスピン拡散長が約10.5 μmに達し、10 μmを超える距離でのスピン輸送が観測された。
• スピン寿命は10–100 ns程度に測定され、自己形成電場による電子-正孔再結合の抑制のおかげで顕著に延長された。
• 10 KでドーピングなしのGaAs/AlGaAs層における電子移動度は約10⁵ cm² V⁻¹ s⁻¹に達し、ドーピングなしで高いキャリア移動度を示した。
• 系は約100 cm² s⁻¹の長寿命スピン拡散係数を示し、高移動度と長寿命スピン状態と整合的であった。
• ホール測定により、面積キャリア密度が約4×10¹³ cm⁻²、移動度が約10⁵ cm² V⁻¹ s⁻¹の自由キャリアの存在が確認された。
• テラヘルツ分光法により、光励起キャリアの空間的分離が確認され、急速な再結合が起こらないことが裏付けられ、長寿命スピン状態の妥当性が支持された。