[논문 리뷰] Mesoscopics in Spintronics: Conductance Fluctuations of Spin-Polarized Electrons

Branislav K. Nikolić, J. K. Freericks|arXiv (Cornell University)|2001. 11. 08.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 라슈바 스핀 궤도 결합과 불순물이 존재하는 이차원 양자 준위상 시스템에서 스핀 분류된 전도도를 연구하기 위해 실수⊗스핀 공간 그린 함수를 사용한 라슈바 형식을 개발한다. 강한 라슈바 결합은 국소화를 억제하고 특이한 양자 간섭을 유도하며, 특정 스핀 분류 조건과 불순물 조건 하에서 평행 및 반대 방향 자화 구성에서 전도도 차이가 음수가 되게 한다.

ABSTRACT

We generalize a Landauer-type formula, using a real$\otimes$spin-space Green function technique, to treat spin-dependent transport in quantum-coherent conductors attached to two ferromagnetic contacts. The formalism is employed to study the properties of components of an exact zero-temperature conductance matrix ${\bf G}$, as well as their mesoscopic fluctuations, describing injection and detection of a spin-polarized current in a two-dimensional system where electrons exhibit an interplay between Rashba spin-orbit (SO) coupling and phase-coherent propagation through a disordered medium. Strong Rashba coupling leads to a dramatic reduction of localization effects on the conductances and their fluctuations, whose features depend on the spin-polarization of injected electrons. In the limit of weak Rashba interaction antilocalization vanishes (i.e., the sum of the matrix elements of ${\bf G}$ is almost independent of the SO coupling), but the partial spin-resolved conductances can still be non-zero. Besides spin-resolved conductance fluctuations and antilocalization, unusual quantum interference effects are revealed in this system leading to a negative difference between the partial conductances for a parallel and an antiparallel orientation of the contact magnetization, in a range of disorder strengths and for a particular spin-polarization of incoming electron with respect to the direction of Rashba electric field.

연구 동기 및 목표

• 자기성 고체 접촉을 가진 양자 준위상 도체에서 스핀에 의존하는 전도도를 포함하기 위해 라슈바 형식을 확장하는 것.
• 라슈바 스핀 궤도 결합이 불순물이 있는 이차원 전자 시스템에서 전도도 변동성과 국소화 효과에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 중간 척도 전도도에서 스핀 분류 전자 주입, 위상 일관성, 그리고 스핀 궤도 결합 간의 상호작용을 분석하는 것.
• 특정 불순물과 스핀 분류 조건 하에서 스핀 분류 전도도에 나타나는 새로운 양자 간섭 효과를 밝혀내는 것.

제안 방법

• 스핀에 의존하는 전도도를 위한 일반화된 라슈바 공식을 위해 실수⊗스핀 공간 그린 함수 기법을 사용한다.
• 이 형식은 라슈바 스핀 궤도 결합이 존재하는 시스템에서 정확한 영온도 전도도 행렬 G를 계산한다.
• 이 방법은 불순물 매질을 통과하는 위상 일관성 있는 전파와 자성 고체 접촉에서의 스핀 분류 주입을 고려한다.
• 전도도 변동성은 라슈바 결합 강도, 불순물, 그리고 라슈바 필드에 대한 스핀 분류 방향에 따라 분석된다.
• 이 접근법은 평행 및 반대 자화 구성에 대해 부분 전도도와 그 변동성을 계산할 수 있게 한다.
• 수치적 및 해석적 해법을 사용하여 스핀 궤도 및 불순물 매개변수 변화에 따른 전도도 행렬 원소의 거동을 탐구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라슈바 스핀 궤도 결합은 스핀 분류된 중간 척도 시스템에서 전도도 변동성과 국소화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 라슈바 전기장에 대한 스핀 분류 방향의 역할은 전도도 이방성의 결정적 요소인가?
• RQ3 강한 라슈바 결합 조건에서 반국소화 효과가 억제되거나 수정될 수 있는가?
• RQ4 평행 및 반대 자화 구성에서 부분 전도도 간의 음수 차이는 무엇에 기인하는가?
• RQ5 특정 불순물과 스핀 분류 조건 하에서 스핀 분류 전도도에 나타나는 새로운 양자 간섭 효과는 무엇인가?

주요 결과

• 강한 라슈바 결합은 스핀 분류 시스템의 전도도 및 그 변동성에 대한 국소화 효과를 크게 감소시킨다.
• 약한 라슈바 결합 한계에서 반국소화 효과는 사라지며, 전도도 행렬 원소의 합은 거의 스핀 궤도 결합에 의존하지 않는다.
• 반국소화 효과가 사라진 후에도 부분 스핀 분류 전도도가 여전히 비영이므로, 지속적인 스핀에 의존하는 전도도가 존재함을 시사한다.
• 특이한 양자 간섭 효과로 인해 평행 및 반대 자화 구성에서 부분 전도도 간의 음수 차이가 발생한다.
• 이 음수 전도도 차이는 특정 스핀 분류 방향과 일정한 불순물 강도 범위 내에서 나타난다.
• 이러한 발견은 라슈바 결합 강도에 따른 전도도 변동성의 비단조화적 의존성을 드러내며, 서로 다른 스핀 채널에서 각각 다른 거동를 보임을 시사한다.