[論文レビュー] Non-ballistic spin field-effect transistor

John Schliemann, J. Carlos Egues+1 more|University of Regensburg Publication Server (University of Regensburg)|Nov 26, 2002

Quantum and electron transport phenomena被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、調整可能なラシバおよびドレセルハウススピン・オービット結合を活用して、スピンに依存しない散乱が存在する場合でも、強固なスピン輸送を実現する非ボールティックなスピン場効果トランジスタ（スピン-FET）を提案する。ラシバとドレセルハウスの結合強度を等しくする（$\alpha = \beta$）ことで、波数に依存しない固有スピン状態と放物型エネルギー分散を実現し、従来のボールティックなDatta-Das FETが失敗する拡산的状態でもスピンを保存する輸送を可能にする。

ABSTRACT

We propose a spin-field-effect transistor based on spin-orbit coupling of both the Rashba and the Dresselhaus types. Different from earlier proposals, spin transport through our device is tolerant against spin-independent scattering processes. Hence the requirement of strictly ballistic transport can be relaxed. This follows from a unique interplay between the Dresselhaus and the Rashba coupling; these can be tuned to have equal strengths, leading to k-independent eigenspinors even in two dimensions. We discuss two-dimensional devices as well as quantum wires. In the latter, our setup presents strictly parabolic dispersions which avoids complications from anticrossings of different bands.

研究の動機と目的

• Datta-Dasスピン-FETの根本的制限、すなわちスピンコherenの保存に厳密なボールティック輸送を要することを克服すること。
• 現実的で非理想的な半導体デバイスにおける運動量散乱によるスピンのランダム化という問題に対処すること。
• 拡散的（非ボールティック）な輸送状態でもスピンコherenceと制御性を維持できるスピン-FETの設計を開発すること。
• 等しい強度のラシバおよびドレセルハウススピン・オービット結合が、波数に依存しない固有スピン状態と安定なスピン輸送をもたらすことを示すこと。
• 厳密なボールティック輸送要件を緩和することで、実用的なスピントロニクスデバイスの実現を可能にすること。

提案手法

• 2次元電子ガスまたは量子ワイヤを用い、ラシバおよびドレセルハウスの両方のスピン・オービット相互作用を含む。ラシバ項はゲートで調整可能である。
• 主なメカニズムは、ラシバ（$\alpha$）とドレセルハウス（$\beta$）の結合強度を等しくすること（$\alpha = \beta$）であり、これにより保存量である演算子 $\Sigma = (\sigma^x + \sigma^y)/\sqrt{2}$ が得られる。
• $\alpha = \beta$ におけるハミルトニアンの固有状態は、波数に依存しないスピン状態を持つことが示され、散乱中でもスピンの保存が保証される。
• 系の固有状態は $\psi_{\pm}(\vec{r}) = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 1 \\ \pm e^{i\pi/4} \end{pmatrix} \varphi(\vec{r}) e^{\mp i\sqrt{2}\alpha m(x-y)/\hbar^2}$ として得られ、$\varphi(\vec{r})$ はスピンに依存しないシュレーディンガー方程式を満たす。
• $\alpha = \beta$ の下でエネルギー分散は完全に放物型となり、スピンの位相ずれや反対称性のないバンドの非放物型性を回避する。
• デバイスは2つの状態で動作する：$\alpha = \beta$ のとき（スピンが保存される）「オン」、$\alpha \ne \beta$ のとき（散乱によってスピンがランダム化される）「オフ」。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピンに依存しない散乱が存在する非ボールティック（拡散的）な条件下でも、スピン-FETにおけるスピン輸送が保存可能か？
• RQ2 ラシバおよびドレセルハウススピン・オービット結合がバランス（$\alpha = \beta$）された場合、スピン状態の構造とエネルギー分散はどのように変化するか？
• RQ3 $\alpha = \beta$ の下で波数に依存しない固有スピン状態が、不純物や欠陥が存在する状況でもスピン輸送の強靭性をもたらすか？
• RQ4 バンド構造における高次の非放物型性が $\alpha = \beta$ の下でデバイス動作に与える影響は何か？
• RQ5 追加のスピン・オービット補正が含まれる場合でも、デバイスは制御性とスピンコherenceを維持できるか？

主な発見

• $\alpha = \beta$ のとき、固有スピン状態は波数 $\vec{k}$ に依存しなくなり、運動量散乱に対してもスピン状態が変化しないことが保証される。
• $\alpha = \beta$ の下でエネルギー分散は完全に放物型となり、スピン輸送を複雑にする避けるべき反対称性のないバンドの非放物型性や、反対称性のないバンドの非放物型性が排除される。
• デバイスはスイッチとして動作する：$\alpha = \beta$ のとき（スピンが保存される）「オン」、$\alpha \ne \beta$ のとき（散乱によってスピンがランダム化される）「オフ」であり、トランジスタ動作が可能になる。
• 保存量 $\Sigma = (\sigma^x + \sigma^y)/\sqrt{2}$ により、$\alpha = \beta$ の下でスピン状態は degenerate かつ時間反転対称性を保ち、スピンコherenceが維持される。
• バンド構造における高次の非放物型性が存在しても、$\alpha = \beta$ 条件が $\Sigma$ の保存性を維持し、強靭性が保たれる。
• 固有スピン状態 $\frac{1}{\sqrt{2}}(1, \pm e^{i\pi/4})$ へのスピン注入により、デバイスの完全な機能が実現され、ゲート電圧による制御されたスピン回転が可能になる。