[論文レビュー] Spin-noise-based magnetometry of an $n$-doped GaAs microcavity in the field of elliptically polarized light

I. I. Ryzhov, G. G. Kozlov+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2015

Quantum and electron transport phenomena参考文献 47被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、nドープGaAsマイクロカビティにおける楕円偏光光が、電子スピンに作用する有効な「光学的」磁場を生成することを示している。この磁場はスピンノイズ分光法により検出可能であり、プローブ強度に比例し、手パリティ（ヘリシティ）の反転に伴い符号が反転する。これは光学スターブ効果に起因し、高Qマイクロカビティによって増幅され、外部励起を要せず半導体における非平衡スピンダイナミクスの定量的磁気測定を可能にする。

ABSTRACT

Recently reported optical nuclear orientation in the $n$-doped GaAs microcavity under pumping in nominal transparency region of the crystal [Appl. Phys. Lett. $\mathbf{106}$, 242405 (2015)] has arisen a number of questions, the main of them concerning mechanisms of angular momentum transfer from the light to the nuclear spin system and the nature of the light-related magnetic fields accompanying the optical nuclear polarization. In this paper, we use the spin noise spectroscopy for magnetometric purposes, particularly, to study effective fields acting upon electron spin system of an $n$-GaAs layer inside a high-Q microcavity in the presence of elliptically polarized probe beam. In addition to the external magnetic field applied to the sample in the Voigt geometry and the Overhauser field created by optically oriented nuclei, the spin noise spectrum reveals an additional effective, "optical," magnetic field produced by elliptically polarized probe itself. This field is directed along the light propagation axis, with its sign being determined by the sign of the probe helicity and its magnitude depending on degree of circular polarization and intensity of the probe beam. We analyze properties of this optical magnetic field and suggest that it results from the optical Stark effect in the field of the elliptically polarized electromagnetic wave.

研究の動機と目的

• nドープGaAsマイクロカビティに楕円偏光光を照射した際、電子スピンに作用する有効磁場の起源と性質を調査すること。
• 観測されたスピンノイズ特徴が、プローブビーム自体が誘導する新たな有効磁場に起因するかどうかを特定すること。
• スピンノイズ分光法を用いて、この光学的磁場の大きさと偏光依存性を定量すること。
• ガ仮説的透明領域における光学的核配向のメカニズムを明確化すること。ここでは従来の光学ポンプは効果を示さない。

提案手法

• ファラデー回転のフラクチュエーションを検出するためにスピンノイズ分光法（SNS）が用いられ、ラーモア周波数での共鳴特徴が明らかにされた。
• 高Qマイクロカビティを用いて局所電磁場強度を増幅し、微弱な有効磁場に対する感度を向上させた。
• プローブビームを制御されたヘリシティと強度を持つ楕円偏光にすることで、有効磁場の偏光状態依存性を調べた。
• バルクGaAsにおける光学スターブ効果に基づく理論的モデルを用いて、観測された磁場の大きさとヘリシティに伴う符号反転を説明した。
• マイクロカビティのQファクターと材料パラメータを用いて、磁場強度の理論的推定値を導出し、関係式 $ \mathcal{K}_{c}^{\text{theor}} \approx 55~\text{mT/mW} $ を得た。
• 実験データと理論予測を比較することで、有効磁場の起源が光学スターブ効果であることを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 楕円偏光プローブビームがn-GaAsの透明領域に照射された際、電子スピン系に有効磁場が現れる原因は何か？
• RQ2 この有効磁場の大きさと方向は、プローブビームの強度とヘリシティにどのように依存するか？
• RQ3 外部励起を要せず、スピンノイズ分光法がこの光学的磁場を検出し、その非摂動的性質を確認できるか？
• RQ4 この磁場の微視的起源は何か。具体的には、円偏光場の存在下での光学スターブ効果に起因するのか？
• RQ5 マイクロカビティはどのように有効磁場を増幅し、スピンダイナミクスにどのような影響を及えるか？

主な発見

• 楕円偏光プローブビームが照射されたn-GaAsの電子スピン系に、透明領域であっても有効な「光学的」磁場が生成される。
• この磁場はプローブビーム強度に比例し、ヘリシティ反転に伴い符号が反転するため、そのキラル性が確認された。
• 磁場の大きさは実験的に $ \mathcal{K}_{c} = 55~\text{mT/mW} $ と測定され、光学スターブ効果に基づく理論的推定値と良好に一致した。
• 理論的モデルにより、この磁場が楕円偏光光場の存在下で電子エネルギー準位の再規格化に起因することが確認された。
• 高Qマイクロカビティは局所電場強度を増幅することで磁場強度を増幅し、微弱な有効磁場の検出を可能にした。
• 本結果は、非共鳴励起下におけるGaAsにおける光学的核配向のメカニズムを提供し、長年のスピンオプティクス分野の謎を解明した。