[論文レビュー] Spin current swapping in the two dimensional electron gas

Ka Shen, Roberto Raimondi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2015

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、2次元電子系におけるスピン電流スワッピング（SCS）を検討し、均一なドリフト電流ではなく、スピン拡산に起因する非一様スピン電流が必要であることを示している。ハンルスピンホール効果とは異なり、SCSは磁場が存在しない状況で、空間的に変化するスピン電流が存在する場合にのみ明確に観測可能であり、これによりその検出のための実験的構成が提案されている。

ABSTRACT

We analyze the effect known as current swapping (SCS) due to electron-impurity scattering in a uniform spin-polarized two-dimensional electron gas. In this effect a primary spin current $J_i^a$ (lower index for spatial direction, upper index for spin direction) generates a secondary spin current $J_a^i$ if $i eq a$, or $J_j^j$, with $j e i$, if $i= a$. Contrary to naive expectation, the homogeneous spin current associated with the uniform drift of the spin polarization in the electron gas does not generate a swapped spin current by the SCS mechanism. Nevertheless, a swapped spin current will be generated, if a magnetic field is present, by a completely different mechanism, namely, the precession of the spin Hall spin current in the magnetic field. We refer to this second mechanism as Hanle spin Hall effect, and we notice that it can be observed in an experiment in which a homogeneous drift current is passed through a uniformly magnetized electron gas. In contrast to this, we show that an unambiguous observation of SCS requires inhomogeneous spin currents, such as those that are associated with spin diffusion in a metal, and no magnetic field. An experimental setup for the observation of the SCS is therefore proposed.

研究の動機と目的

• スピン電流スワッピング（SCS）が2次元電子系で発生する条件を明確化すること。
• 磁場内でのスピンの進化によって生じるハンルスピンホール効果とは異なり、SCSがどのように異なるかを区別すること。
• SCSを明確に観測するための具体的な実験的要件を特定し、磁場による混同効果を回避すること。
• 均一なスピン電流と磁場を排除することでSCSを分離できる実現可能な実験的構成を提案すること。

提案手法

• スピン極化された2次元電子系における電子-不純物散乱過程を分析し、スピン電流の生成をモデル化する。
• スピン電流密度演算子 $J_i^a$ と $J_a^i$ を用いて主および二次スピン電流を記述し、$i \neq a$ がスワッピングを示す。
• 線形応答理論を用いて、空間的に非一様なスピン電流に対する系の応答を評価する。
• SCSのメカニズムと、磁場内でのスピンの進化によって生じるハンルスピンホール効果を比較する。
• 均一スピン電流ではSCSが消える条件を導出し、スピン拡散が存在する場合との対比を検証する。
• 磁場と均一電流を抑えることでSCSを分離できる理論的実験的構成を設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元電子系におけるスピン電流スワッピング（SCS）はどのような条件下で発生するか？
• RQ2 直感的には期待されるが、均一スピン電流がSCSによってスワップされたスピン電流を生成しないのはなぜか？
• RQ3 物理的メカニズムと実験的要件の観点から、ハンルスピンホール効果とSCSはどのように異なるか？
• RQ4 SCSを明確に観測するために必要なスピン電流プロファイルは、均一なものか、非一様なものか？
• RQ5 スピンの進化を伴う磁場の影響といった競合効果からSCSを分離できる実験的構成はどのようなものか？

主な発見

• 対称性の制約により、電子-不純物散乱がメカニズムを可能にしても、均一スピン電流ではスピン電流スワッピング（SCS）は発生しない。
• スピン電流が非一様（例：スピン拡散）であり、かつ磁場が存在しない場合にのみ、スワップされたスピン電流が生成される。
• 磁場内でのスピンの進化によってスワップ電流を生成するハンルスピンホール効果とは異なり、SCSは物理的メカニズムと実験的条件が異なる。
• SCSを明確に分離して観測するためには、磁場と均一電流を抑えた実験的構成が必要である。
• 提案された実験的構成は、スピン拡散を用いて必要な非一様スピン電流を生成し、SCSの検出を可能にする。