[論文レビュー] Temperature dependence of spin depolarization of drifting electrons in n-type GaAs bulks

Stefano Spezia, Dominique Persano+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2010

Quantum and electron transport phenomena参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、10–300 Kの温度および0.1–2 kV/cmの電場の下でn型GaAsにおけるスピン偏極の損失を、半古典的モンテカルロシミュレーションを用いて調査した。主な注目対象はD’yakonov-Perel機構である。スピン緩和時間およびスピン緩和長は、温度および電場に対して非単調な依存関係を示し、150 Kおよび0.5 kV/cmで最適なスピンコher-エンス（τ > 0.15 ns）が得られ、室温でも6 μmのスピンコher-エンス長が達成された。これは高温スピントロニクス素子への応用可能性を示唆している。

ABSTRACT

The influence of temperature and transport conditions on the electron spin relaxation in lightly doped n-type GaAs semiconductors is investigated. A Monte Carlo approach is used to simulate electron transport, including the evolution of spin polarization and relaxation, by taking into account intravalley and intervalley scattering phenomena of the hot electrons in the medium. Spin relaxation lengths and times are computed through the D'yakonov-Perel process, which is the more relevant spin relaxation mechanism in the regime of interest (10 < T < 300 K). The decay of the initial spin polarization of the conduction electrons is calculated as a function of the distance in the presence of a static electric field varying in the range 0.1 - 2 kV/cm. We find that the electron spin depolarization lengths and times have a nonmonotonic dependence on both the lattice temperature and the electric field amplitude.

研究の動機と目的

• 軽度にドーピングされたn型GaAsにおける電子スピン緩和に及ぼす温度および電場の影響を理解すること。
• 高速スピントロニクス素子に実用的な条件における輸送下でのスピン偏極のメカニズムを調査すること。
• 10–300 Kの広い温度範囲および0.1–2 kV/cmの電場範囲において、スピン緩和時間およびスピン緩和長を特定すること。
• 実用的なスピントロニクス応用に適した長時間のスピンコher-エンスを実現する条件を同定すること。

提案手法

• 電子輸送を、確率的衝突とスピンの時間発展を含めてシミュレートする半古典的モンテカルロ法を用いた。
• スピン緩和をモデル化するためにD’yakonov-Perel機構を採用し、スピン軌道結合に起因する有効磁場によるスピンの歳差運動を記述した。
• 散乱イベント間の電子軌道を計算し、散乱率および散乱メカニズム（格子振動、イオン化不純物、極性フォノン）を経験的パラメータから決定した。
• 静的な電場下で、距離および時間の関数としてスピン偏極の減衰を追跡した。
• 初期スピン偏極の減衰からスピン緩和時間τおよび偏極長Lを抽出した。
• 非単調な傾向をマップするため、格子温度および電場強度の広い範囲でシミュレーションを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中程度の電場下で、n型GaAsにおけるスピン緩和時間τは、格子温度の上昇に伴いどのように変化するか？
• RQ2 異なる温度における電場の大きさに応じて、スピン偏極長Lはどのように依存するか？
• RQ3 特に100–150 Kの周辺でスピン緩和時間が温度に非単調に依存する理由は何か？
• RQ4 格子振動、イオン化不純物、極性フォノンといった競合する散乱メカニズムは、スピン緩和ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ5 室温および中程度の電場下で、長時間のスピンコher-エンス長および長時間のスピンコher-エンスを実現できるか？

主な発見

• 150 Kおよび0.5 kV/cmの条件下で、スピン緩和時間τは0.15 nsを超えることが確認され、この条件下で最適なスピンコher-エンスが実現された。
• 室温（300 K）では、スピン偏極長Lが約6 μmに達し、電場の強度にほとんど依存しなかった。
• スピン緩和時間τは温度に非単調な依存関係を示し、100–150 Kの周辺に局所的な最大値を示す。これは主な散乱メカニズムの転移に起因する。
• 電場が0.5 kV/cmを超えると、τは温度に対して単調に減少する関数となることが示され、主な緩和メカニズムの変化が示唆された。
• スピン偏極長Lは中程度の電場で顕著な最大値を示し、温度が上昇するに従い、より高い電場にシフトし、ピークは広がる。
• τおよびLの非単調な挙動は、電子の運動量増加に伴い有効磁場が増大するのと、温度および電場に伴う散乱率の変化との間の相乗作用に起因する。