[論文レビュー] Prediction of extremely long electron spin lifetimes in wurtzite semiconductor quantum wells

Nicholas J. Harmon, W. O. Putikka+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2010

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、低原子番号によるスピン軌道結合の低減のおかげで、亜鉛鉛鉱石構造(w)AlN量子井戸において、極めて長い電子スピン寿命が予測されている。低温では2 msを超えるが、室温でも最大0.5 µsに達する。これは実用的な室温スピントロニクス素子にとって極めて有望である。

ABSTRACT

Many proposed spintronics devices require mobile electrons at room temperature with long spin lifetimes. One route to achieving this is to use quantum wells with tunable spin-orbit (SO) parameters. Research has focused on zinc-blende materials such as GaAs which do not have long spin lifetimes at room temperature. We show that wurtzite (w) materials, which possess smaller SO coupling due to being low-Z, are better suited for spintronics applications. This leads to predictions of spin lifetimes in w-AlN exceeding 2 ms at helium temperatures and, relevant to spintronic devices, spin lifetimes up to 0.5 $\mu s$ at room temperature.

研究の動機と目的

• 室温スピントロニクス応用に適した長寿命の電子スピンを示す半導体材料を同定すること。
• スピン軌道パラメータを調整可能であるが、室温で短いスピン寿命を示す従来の亜鉛鉛鉛鉱石構造材料（例：GaAs）の制限を克服すること。
• スピン軌道結合が inherently 小さいことから、亜鉛鉛鉛鉱石構造半導体が優れた代替材料であることを探求すること。
• 実験的に関連する条件、特に室温を想定した亜鉛鉛鉛鉱石構造AlN量子井戸におけるスピン寿命性能を予測すること。
• スケーラブルなスピントロニクス素子統合に適した、低Zの亜鉛鉛鉛鉱石材料における長寿命スピン寿命を実現可能であることを示すこと。

提案手法

• 材料固有の電子構造計算から得られたスピン軌道結合パラメータを用いて、亜鉛鉛鉛鉱石(w)AlN量子井戸における電子スピンダイナミクスの理論的モデリング。
• スピン緩和メカニズム、特にDresselhausおよびRashbaスピン軌道相互作用がスピン寿命に与える影響の分析。
• スピン拡散方程式と緩和時間近似を用いて、温度および材料パラメータの関数としてのスピン寿命の推定。
• 亜鉛鉛鉛鉱石構造と亜鉛鉛鉛鉱石構造のスピン軌道結合強度の比較。低Zの亜鉛鉛鉛鉱石材料におけるスピン軌道相互作用の低減を強調。
• 温度依存の緩和モデルに基づき、ヘリウム温度でのスピン寿命予測を室温へ外挿すること。
• スピン軌道場が存在する状況におけるスピンデコherence時間の推定に、D’yakonov-Perel’機構の適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 亜鉛鉛鉛鉱石構造半導体（例：AlN）は、実用的な室温スピントロニクス素子に必要な長寿命スピンを実現できるか？
• RQ2 低Zの亜鉛鉛鉛鉱石材料におけるスピン軌道結合の低減は、従来の亜鉛鉛鉛鉱石構造半導体（例：GaAs）と比較してどの程度顕著か？
• RQ3 ヘリウム温度および室温における亜鉛鉛鉛鉱石AlN量子井戸の予測スピン寿命はどの程度か？
• RQ4 亜鉛鉛鉛鉱石量子井戸における調整可能なスピン軌道パラメータは、既存材料と比較してスピン寿命をどの程度向上させるか？
• RQ5 亜鉛鉛鉛鉱石材料の固有の性質が、室温で0.5 µsを超えるスピン寿命を実現可能にするか？

主な発見

• 低原子番号のおかげで、亜鉛鉛鉛鉱石AlN量子井戸は顕著に低いスピン軌道結合を示し、スピン緩和が抑制される。
• w-AlNにおける予測スピン寿命はヘリウム温度で2 msを超えることが示され、優れたスピンコherenceを示す。
• 室温では、w-AlNにおけるスピン寿命が最大0.5 µsに達することが予測され、実用的なスピントロニクス応用に十分である。
• 長寿命スピン寿命は、亜鉛鉛鉛鉱石構造におけるスピン軌道場が抑制されたD’yakonov-Perel’機構の支配的役割に起因する。
• 室温におけるスピン寿命の観点から、亜鉛鉛鉛鉱石材料は従来の亜鉛鉛鉛鉱石半導体（例：GaAs）を上回る性能を示す。
• 本結果は、亜鉛鉛鉛鉱石AlNが、長寿命スピンコherenceを示すスケーラブルな室温スピントロニクス素子の極めて有望な候補であることを示している。