[논문 리뷰] Many-body corrections to ESR energy and spin-wave excitations in two-dimensional systems with Bychkov-Rashba spin splitting

S. S. Krishtopenko|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 24.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 57인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 구조적 반전 비대칭성에 의해 유도되는 Bychkov-Rashba 스핀 분할을 갖는 이중성 평면 시스템에서 전자-전자(e-e) 상호작용이 전자 스핀 공명(ESR) 및 스핀파 진동수에 미치는 영향을 조사한다. Hartree-Fock 근사법을 사용하여, e-e 상호작용이 ESR 에너지를 증가시키거나 감소시킬 수 있음을 보여주며, 이 효과는 g-인자 부호와 Landau 준위 채움 인자에 매우 민감하며, 특히 ν ≤ 2일 경우 두드러진다.

ABSTRACT

We report effects of electron-electron (\emph{e-e}) interaction on electron spin resonance (ESR) in perpendicular magnetic field in two-dimensional (2D) systems with Bychkov-Rashba spin splitting induced by spin-orbit interaction (SOI) and structural inversion asymmetry (SIA). Using the Hartree-Fock approximation, we demonstrate that the SIA results in non-zero many-body corrections to the ESR energy and the energy of spin wave excitations. We discover that the \emph{e-e} interaction in 2D systems with SIA not only can enhance the ESR energy but can also lead to the ESR energy reduction. The magnitude of this effect exhibits remarkable features in a wide range of parameters relevant to experiment: it is found to be rather sensitive to the sign of g-factor and the filling factor of Landau levels $ν$. We derive analytical expressions for many-body corrections to ESR energy and the dispersion of spin wave excitations for the case of $ν\leq 2$. We have found out that \emph{e-e} interaction does not affect the ESR energy in the case of filling of the lowest Landau level ($ν\leq 1$) in 2D systems with positive g-factors even at arbitrarily large values of Bychkov-Rashba constant. The many-body renormalization of ESR energy in the case of fractional Quantum Hall effect is also discussed.

연구 동기 및 목표

• 구조적 반전 비대칭성에 의해 유도되는 Bychkov-Rashba 스핀 분할을 갖는 이중성 평면 시스템에서 전자-전자(e-e) 상호작용이 전자 스핀 공명(ESR) 에너지에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 수직 자기장 존재 하에서 다체 보정이 스핀파(SW) 진동수 분포에 미치는 영향을 검토하는 것.
• ESR 에너지 이동이 g-인자의 부호와 Landau 준위 채움 인자 ν에 따라 어떻게 의존하는지 규명하는 것.
• ν ≤ 2인 경우에 대해 다체 보정된 ESR 에너지 및 SW 분포에 대한 해석적 표현을 유도하는 것.
• 특히 양의 g-인자를 갖는 최저 Landau 준위에서 e-e 상호작용이 ESR 에너지에 영향을 미치지 않는 조건을 명확히 하는 것.

제안 방법

• 단일 입자 ESR 에너지 및 스핀파 진동수 에너지의 다체 보정을 계산하기 위해 Hartree-Fock 근사(HFA)를 적용한다.
• 선형 운동량에 비례하는 Bychkov-Rashba 스핀 궤도 결합 항을 포함한 단일 밴드 효과 질량 근사 모델을 사용한다.
• 수직 자기장과 Landau 준위 양자화를 고려하며, 채움 인자 ν ≤ 2에 중점을 둔다.
• 교환 및 상관 효과 기여를 포함한 ESR 에너지 및 스핀파 분포에 대한 다체 보정의 해석적 표현을 유도한다.
• ESR 및 SW 에너지 이동이 Bychkov-Rashba 상수 α, g-인자 부호, 채움 인자 ν에 따라 어떻게 의존하는지 분석한다.
• α(0, 0.3, 0.5 eV·Å) 및 g*(±0.4)의 다양한 값에 대해 결과를 비교하여 시스템 매개변수에 대한 민감도를 밝혀낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자-전자 상호작용은 Bychkov-Rashba 스핀 분할을 갖는 이중성 평면 시스템에서 전자 스핀 공명(ESR) 에너지에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 g-인자 부호와 Landau 준위 채움 인자 ν에 따라 다체 ESR 에너지 보정은 어떻게 의존하는가?
• RQ3 이러한 시스템에서 전자-전자 상호작용이 ESR 에너지에 영향을 주지 않는 조건은 무엇인가?
• RQ4 Bychkov-Rashba 스핀 분할 상수 α는 스핀파 진동수 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 ν ≤ 2인 경우에 대해 다체 보정된 ESR 에너지 및 스핀파 분포에 대한 해석적 표현은 무엇인가?

주요 결과

• 구조적 반전 비대칭성(SIA)이 존재하는 2D 시스템에서 전자-전자 상호작용은 스핀-회전 대칭성이 있는 시스템과는 달리 비영인 다체 보정을 ESR 에너지에 유도한다.
• e-e 상호작용은 g-인자의 부호와 Landau 준위 채움 인자 ν에 따라 ESR 에너지를 증가시키거나 감소시킬 수 있다.
• ν ≤ 1 이며 g-인자가 양수일 경우, 임의로 큰 Bychkov-Rashba 상수에서도 e-e 상호작용은 ESR 에너지에 영향을 미치지 않는다.
• ESR 에너지의 다체 보정은 자기장에 따라 진동하는 행동을 보이며, g-인자 부호와 ν에 매우 민감하다.
• 스핀파 진동수 분포는 Bychkov-Rashba 상수 α에 의해 크게 수정되며, 波수 k에 대해 선형, 이차, 상수 항의 기여를 포함한다.
• ν = 1 이고 g* > 0일 경우, 스핀파 에너지의 다체 이동은 k → 0일 때 0으로 수렴하지만, g* < 0일 경우 작은 k에서 부정적인 이동이 더 두드러진다.