[論文レビュー] Spin dephasing in III-V nanowires

Ashish Kumar, Bahniman Ghosh|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2011

Quantum and electron transport phenomena参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、半古典的モンテカルロ法を用いて、InPおよびInSbナノワイヤーにおけるスピンデコherenceをD'yakonov-Perel (DP)およびElliott-Yafet (EY)メカニズムの寄与を分析することで調査した。InSbはスピン軌道結合が強化されているため、InPに比べて顕著に強いスピンデコherenceを示し、スピンデコherence長が短くなり、スピン分布の定常状態が顕著に異なる。これはIII-Vナノワイヤーにおける材料依存のスピン輸送制限を示している。

ABSTRACT

We use semiclassical Monte Carlo approach to investigate spin polarized transport in InP and InSb nanowires. Spin dephasing in III-V channels is caused due to D'yakonov- Perel (DP) relaxation and due to Elliott-Yafet (EY) relaxation. The DP relaxation occurs because of bulk inversion asymmetry (Dresselhaus spin-orbit interaction) and structural inversion asymmetry (Rashba spin-orbit interaction). The injection polarization direction studied is that along the length of the channel. The dephasing rate is found to be very strong for InSb as compared to InP which has larger spin dephasing lengths. The ensemble averaged spin components vary differently for both InP and InSb nanowires. The steady state spin distribution also shows a difference between the two III-V nanowires.

研究の動機と目的

• III-Vナノワイヤー、特にInPおよびInSbにおけるスピンデコherenceのメカニズムを理解すること。
• これらの材料におけるD'yakonov-Perel (DP)およびElliott-Yafet (EY)スピン緩和メカニズムの相対的寄与を比較すること。
• 定常状態輸送条件下でのナノワイヤーチャネルに沿ったスピン偏極の時間発展を調査すること。
• InPおよびInSbナノワイヤー間のスピンデコherence長およびスピン成分の減衰の差を定量化すること。
• 構造的およびボリューム反転対称性の影響がスピン輸送特性に与える影響を評価すること。

提案手法

• スピン偏極電子輸送をモデル化するため、半古典的モンテカルロシミュレーションフレームワークを用いた。
• モデルには、体積および構造的反転対称性に起因するスピン軌道結合によるD'yakonov-Perel (DP)緩和を組み込んだ。
• 電子不純物および電子フォノン散乱に起因するスピン反転散乱を考慮するため、Elliott-Yafet (EY)緩和を含めた。
• シミュレーションでは、時間経過およびナノワイヤー長に沿った集合平均スピン成分の変化を追跡した。
• デコherenceダイナミクスを輸送方向で評価するため、注入スピン偏極をチャネル方向に整列させた。
• InPおよびInSb間の定常状態スピン分布を計算・比較し、材料依存のスピン整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 D'yakonov-PerelおよびElliott-Yafetメカニズムは、InPおよびInSbナノワイヤーにおけるスピンデコherenceにどのように寄与するか？
• RQ2 同一の輸送条件下で、InSbにおけるスピンデコherenceの相対的強度はInPに比べてどの程度強いのか？
• RQ3 集合平均スピン成分は、InPおよびInSbナノワイヤーでどのように異なるように時間発展するか？
• RQ4 InPおよびInSbナノワイヤーにおける定常状態スピン分布プロファイルはどのようなものか？
• RQ5 異なるスピン軌道結合強度のため、InPおよびInSb間のスピンデコherence長はどのように異なるか？

主な発見

• InSbは、特にRashbaおよびDresselhausメカニズムに起因するスピン軌道結合の強化により、InPに比べ顕著に強いスピンデコherenceを示す。
• スピンデコherence率はInSbで顕著に高く、InPに比べて短いスピンデコherence長を示す。
• 集合平均スピン成分はInSbでInPよりも著しく速やかに減衰し、スピン偏極の迅速な消失を示している。
• 定常状態スピン分布はInPとInSbで質的に異なる。InSbではスピン偏極の空間的減衰が顕著に強い。
• 構造的およびボリューム反転対称性の併存効果により、両材料でDP緩和が支配的であるが、InSbではその影響がより顕著である。
• 本研究は、材料選択（InSb対InP）がIII-Vナノワイヤーを用いたスピントロニクス素子におけるスピン整合性に顕著に影響することを確認した。