[論文レビュー] Spin-galvanic effect due to optical spin orientation

Sergey Ganichev, Petra Schneider+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2003

Magneto-Optical Properties and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、外部磁場を用いずに、自由電子レーザー（FELIX）を用いた共鳴間接続準位遷移を通じて、円偏光赤外励起下におけるn型GaAs量子井戸におけるスピンギャルバニック効果を示した。主な結果は、[110]方向にヘリシティ依存性のある光電流が観測されたことであり、これは光学的スピン整列とラシュバおよびドレゼルハウスのスピン軌道相互作用の相乗効果に起因する。微視的理論により実験結果が確認された。

ABSTRACT

Under oblique incidence of circularly polarized infrared radiation the spin-galvanic effect has been unambiguously observed in (001)-grown $n$-type GaAs quantum well (QW) structures in the absence of any external magnetic field. Resonant inter-subband transitions have been obtained making use of the tunability of the free-electron laser FELIX. It is shown that a helicity dependent photocurrent along one of the $<110>$ axes is predominantly contributed by the spin-galvanic effect while that along the perpendicular in-plane axis is mainly due to the circular photogalvanic effect. This strong non-equivalence of the [110] and [1$\bar{1}$0] directions is determined by the interplay between bulk and structural inversion asymmetries. A microscopic theory of the spin-galvanic effect for direct inter-subband optical transitions has been developed being in good agreement with experimental findings.

研究の動機と目的

• 外部磁場なしで光学励起を用いてスピンギャルバニック効果を示すこと。
• スピン軌道相互作用（ラシュバおよびドレゼルハウス）がスピン偏極電流を生成する役割を調査すること。
• 対称性および微視的起源の観点から、スピンギャルバニック効果と円偏光ギャルバニック効果を区別すること。
• 直接間接準位遷移におけるスピンギャルバニック効果の微視的理論を構築および検証すること。

提案手法

• 傾斜入射での可変周波数自由電子レーザー（FELIX）を用いて、共鳴間接続準位遷移を励起した。
• 室温下で、井戸幅7.6–8.6 nmのバイアスなしGaAs/AlGaAs量子井戸で光電流を測定した。
• フェルヌール・ロムを用いて円偏光光（σ⁺およびσ⁻）を生成し、ヘリシティを制御した。
• [110]および[1̄10]結晶方向に電流を測定し、方向性の非対称性を調べた。
• スピン依存性散乱行列要素およびエリオット＝ヤフィート機構に基づく微視的理論を構築した。
• スピン軌道相互作用パラメータβxyおよびβyx、およびスピン緩和時間τ′sを用いて理論的電流式を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場が存在しない状況で、光学励起を用いてスピンギャルバニック効果を観測できるか？
• RQ2 バルクおよび構造的逆スピン対称性の不均衡が、[110]および[1̄10]方向の対称性を破る役割を果たすか？
• RQ3 スピンギャルバニック効果と円偏光ギャルバニック効果は、類似した現象的記述を持つが、微視的起源においてどのように異なるか？
• RQ4 スピンギャルバニック電流がスピン偏極、吸収、およびスピン軌道相互作用パラメータにどのように依存するか？

主な発見

• [110]方向にヘリシティ依存性のある光電流が観測され、吸収ピークで符号反転を示した。これは支配的スピンギャルバニック効果を示している。
• [1̄10]方向の電流は符号反転を示さず、吸収スペクトルに従った。これは支配的円偏光ギャルバニック効果を示している。
• スピンギャルバニック電流はスピン偏極およびラシュバのスピン分離パラメータβxy(1)に比例し、jSGE,y ∝ eβxy(1)/ħ × (τpτs/τ′s) × (η21I/ħω)Pcircξと表される。
• スピンギャルバニック電流の減衰時間は全スピン緩和時間τsと一致し、スピン緩和プロセスに起因することを確認した。
• スピン依存性散乱行列およびエリオット＝ヤフィート機構を用いた理論モデリングは、実験データと良好に一致した。
• τp/τ′sの比が運動量緩和時間に依存しないことが判明し、スピン緩和と電流生成の間の根本的関係を示唆した。