[論文レビュー] Orbital contributions to the electron g-factor in semiconductor nanowires

Georg Winkler, Dániel Varjas+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、InAsおよびInSbナノワイヤーで観測された予期しないほど大きな電子g因子を、高エネルギー準位における軌道的角運動量とスピン軌道相互作用の結合が主因であると特定することで説明している。非ゼロの軌道的角運動量を有する状態におけるL⋅S結合は、g因子を最大43まで上昇させ、バルク値を著しく上回る。磁場の回転に伴う強い異方性は、実験的検証を可能にする。

ABSTRACT

Recent experiments on Majorana fermions in semiconductor nanowires [Albrecht et al., Nat. 531, 206 (2016)] revealed a surprisingly large electronic Landé g-factor, several times larger than the bulk value - contrary to the expectation that confinement reduces the g-factor. Here we assess the role of orbital contributions to the electron g-factor in nanowires and quantum dots. We show that an LS coupling in higher subbands leads to an enhancement of the g-factor of an order of magnitude or more for small effective mass semiconductors. We validate our theoretical finding with simulations of InAs and InSb, showing that the effect persists even if cylindrical symmetry is broken. A huge anisotropy of the enhanced g-factors under magnetic field rotation allows for a straightforward experimental test of this theory.

研究の動機と目的

• InAsおよびInSbナノワイヤーにおける異常なほど大きな電子g因子の長年の謎を解明すること。これはバルク値を最大40%上回る。
• 特に大きなg因子が観測される高化学ポテンシャル領域におけるこの増幅の物理的起源を特定すること。
• 非ゼロの角運動量を有する高エネルギー準位におけるL⋅S結合による軌道的寄与が、g因子の増幅を引き起こしていることを示すこと。
• 実際のナノワイヤー素子に適した、軸対称性が破れている状況でも有効な堅牢な理論的枠組みを提供すること。
• 理論の実験的検証に適した明確な実験的シグナル（磁場の回転に伴う強いg因子異方性）を提示すること。

提案手法

• 円筒形ナノワイヤー内の電子状態を有効質量近似とスピン軌道相互作用を用いて理論的分析し、非ゼロの軌道的角運動量を有する準位に注目する。
• ハミルトニアンにL⋅S結合を組み込み、磁場存在下での軌道的角運動量に起因するスピンの整列をモデル化する。
• 40 nmの直径を有するInAsおよびInSbナノワイヤーに対して、外部電場およびさまざまな角度の磁場を加えた数値シミュレーションを実施。
• 実際のナノワイヤー幾何形状における対称性の破れを反映した、タイトバインディングモデルと第一原理から導かれたパラメータを用いて結果を検証。
• 磁場の存在下でのゼーマン分裂を用いたg因子の計算を行い、磁場の向きに応じた異方性を含む。
• 近接効果を有するナノワイヤーにおけるマヨラナ境界状態のシミュレーションを行い、アンドレーエフ境界状態の勾配からg因子を抽出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 InAsおよびInSbナノワイヤーにおいて、特に高化学ポテンシャル領域で観測される異常なほど大きな電子g因子の原因は何か？
• RQ2 軌道的角運動量とスピン軌道相互作用がどのように組み合わさって、バルク値を上回るg因子を増幅させるのか？
• RQ3 磁場の回転に伴うg因子の異方性が、軌道的寄与を特定するための診断ツールとしてどれほど有効か？
• RQ4 Rashba効果を誘発するゲートによる影響を受けるなど、対称性が破れている非円筒形ナノワイヤーにおいても、軌道的増幅機構は維持されるか？
• RQ5 実際の幾何形状を有する量子ドットおよびナノワイヤーにおける、軌道的寄与のg因子への定量的影響は何か？

主な発見

• 高エネルギー準位における軌道的角運動量は、強いL⋅S結合を生じさせ、小バンドギャップ半導体ではg因子を10倍以上も増幅させる。
• g因子の増幅は|l| = 2の準位で最も顕著であり、実際の条件下でInAsナノワイヤーでは最大43に達する。
• g因子は極めて強い異方性を示す。垂直方向の磁場では、支配的となる軌道的磁場がスピンをワイヤー軸に整列させるため、g因子はほぼゼロに低下する。
• 六角形ナノワイヤーや外部電場、ゲート電位の存在下など、軸対称性が破れている状況でも、この効果は依然として頑健に保たれる。
• 近接結合されたInAsナノワイヤーのシミュレーションでは、|l|=1および|l|=2の準位に対して、それぞれg因子23および43を再現し、実際の化学ポテンシャルの調整条件下で妥当である。
• この理論は、マヨラナナノワイヤー実験で観測されたg因子の大きさと化学ポテンシャル依存性の両方を説明できる。