[論文レビュー] Resonant inversion of circular photogalvanic effect in n-doped quantum wells,

Sergey Ganichev, Vassilij Belkov+7 more|University of Regensburg Publication Server (University of Regensburg)|Jan 1, 2003

Quantum optics and atomic interactions被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、円偏光光による直接的準位間遷移を介して、n型ドーピングされたGaAs量子井戸における円偏光効果（CPGE）の共鳴反転を示した。スピン駆動型光電流の符号は、k線形スピン軌道結合、エネルギー・運動量保存則、光学的選択則の結果、共鳴時に逆転する。これは、零磁場下でのスピン分離準位の直接的証明である。

ABSTRACT

We show that the sign of the circular photogalvanic effect can be changed by tuning the radiation frequency of circularly polarized light. Here resonant inversion of the photogalvanic effect has been observed for direct inter-subband transition in n-type GaAs quantum well structures. This inversion of the photon helicity driven current is a direct consequence of the lifting of the spin degeneracy due to k-linear terms in the Hamiltonian in combination with energy and momentum conservation and optical selection rules.

研究の動機と目的

• nドーピングGaAs量子井戸におけるスピン光電ガルバニック効果を、直接的準位間遷移を用いて調査すること。
• k線形スピン軌道結合がヘリシティ依存光電流を生成する役割を調査すること。
• 光子エネルギーを共鳴近傍で調整することにより、円偏光効果の光電流符号を反転させられることを実証すること。
• 構造的・バルク反転対称性の欠如によるk空間内でのスピン分離の実験的・理論的証明を提供すること。
• n型量子井戸における電子スピン緩和時間の測定に、共鳴CPGEをスピン感受性プロービング技術として応用すること。

提案手法

• 114〜135 meVの光子エネルギー範囲で、可変周波数のTEA-CO2レーザーを用いて、n-GaAs/AlGaAs量子井戸を励起し、e1–e2準位間遷移に一致させる。
• フレネルレンズを用いて円偏光光（σ+およびσ−）を発生させ、ヘリシティ依存光電流を誘発する。
• ストレージオシロスコープを用いて、50 Ω負荷抵抗の両端電圧降下を測定し、レーザーパルスに同期した信号を取得する。
• 吸収スペクトルと光電流応答の相関を調べるため、赤外分光法（FTIR）を用いた透過測定を実施する。
• 理論的モデルには、Dresselhaus（BIA）およびRashba（SIA）項を含むk線形有効ハミルトニアンを用い、スピン分離を記述する：H₁ᵏ = βₓᵧσₓkᵧ + βᵧₓσᵧkₓ。
• C₂ᵥ対称性における光電流式（式20）を導出し、jₓ ∝ (β²ᵧₓ − β¹ᵧₓ) × [τᵖ²η⊥(ħω) + (τᵖ¹ − τᵖ²)ħω dη⊥/dħω] とし、電流が準位間スピン分離および吸収の微分に依存することを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 n型ドーピング量子井戸において、光子エネルギーを調整することで円偏光効果の符号を反転させられるか？
• RQ2 k線形スピン軌道結合は、直接的準位間遷移におけるヘリシティ依存光電流を生成する上で果たす役割は何か？
• RQ3 構造反転（Rashba）およびバルク反転（Dresselhaus）対称性の欠如は、零磁場下での準位間スピン分離にどのように寄与するか？
• RQ4 なぜ吸収ピークにおいて光電流が消えるのか？これは準位内の運動量緩和時間とどのように関係するか？
• RQ5 共鳴CPGEは、n型量子井戸における電子スピン緩和ダイナミクスをプローブする手段として有効か？

主な発見

• n-GaAs量子井戸における円偏光効果は、e1–e2準位間遷移の共鳴領域で光子エネルギーを調整することで、光電流の符号が共鳴時に反転することを示した。
• 観測された電流逆転は、k線形スピン軌道結合および吸収に依存する微分的依存性（式(20)で記述）に起因する。
• C₂ᵥ対称性下では、τᵖ² ≪ τᵖ¹ の場合、吸収ピークで光電流がゼロとなる。これは上位準位の運動量緩和時間が下位準位に比べて著しく速いことを示している。
• 理論的モデリングにより、CPGE電流が準位間スピン分離の差（β²ᵧₓ − β¹ᵧₓ）に比例することが確認され、準位間スピン分離が等しい場合に電流が存在しないことを説明した。
• Cₛ対称性では、電流はスピン分離の和に依存するため、β²ᵧₓ = β¹ᵧₓ であっても非ゼロ信号が得られる。これはC₂ᵥ系とは異なり、電流がゼロにならない。
• 本結果により、零磁場下でのスピン軌道結合に起因するk空間内でのスピン分離準位の直接的実験的証明が得られ、n型半導体における電子スピンダイナミクスをプローブする新規手法の可能性が示された。