[논문 리뷰] Spin-galvanic effect due to optical spin orientation

Sergey Ganichev, Petra Schneider외 14명|arXiv (Cornell University)|2003. 03. 11.

Magneto-Optical Properties and Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 외부 자기장이 없는 조건에서 원형 편광된 적외선 자극을 통해 자유전자 레이저를 이용한 공명 준항도간 전이를 통해 n형 GaAs 양자우물에서 스핀-갈바닉 효과를 실험적으로 입증한다. 주요 결과는 [110] 방향으로 편광 수성에 따라 달라지는 광전류의 관측으로, 이는 광학적 스핀 정렬과 라슈바 및 드레셀하우스 스핀오비트 결합의 상호작용에 의해 유도되며, 미세구조 이론이 실험 결과를 확인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 외부 자기장이 없는 조건에서 광학적 자극을 통해 스핀-갈바닉 효과를 입증하기.
• 스핀오비트 결합(Rashba 및 Dresselhaus)이 스핀 편극 전류를 생성하는 데 미치는 역할을 조사하기.
• 대칭성과 미세구조 기원 측면에서 스핀-갈바닉 효과와 원형 광갈바닉 효과를 구분하기.
• 직접 준항도간 전이에서 스핀-갈바닉 효과에 대한 미세구조 이론을 수립하고 검증하기.

제안 방법

• 기울인 입사각에서 조절 가능한 자유전자 레이저(FELIX)를 사용하여 공명 준항도간 전이를 자극하였다.
• 실온에서 7.6–8.6 nm의 양자우물 두께를 가진 비편향 GaAs/AlGaAs 양자우물을 대상으로 광전류를 측정하였다.
• 프레넬 루비드를 사용하여 원형 편광된 빛(σ⁺ 및 σ⁻)을 생성하여 편광 수성 제어를 수행하였다.
• [110] 및 [1̄10] 결정학적 방향에 따라 전류를 측정하여 방향 비대칭성을 탐색하였다.
• 스핀에 의존하는 산란 행렬 원소와 Elliot-Yafet 메커니즘을 기반으로 한 미세구조 이론를 수립하였다.
• 스핀오비트 결합 매개변수 βxy 및 βyx, 그리고 스핀 리프레시 시간 τ′s 를 사용하여 이론적 전류 표현식을 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자기장이 없는 조건에서 광학적 자극을 통해 스핀-갈바닉 효과를 관측할 수 있는가?
• RQ2 체적 및 구조적 역대칭성의 상호작용이 [110] 및 [1̄10] 방향 대칭성을 깨는 데 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ3 유사한 현상학적 기술에도 불구하고, 스핀-갈바닉 효과는 미세구조적으로 원형 광갈바닉 효과와 어떻게 다를까?
• RQ4 스핀-갈바닉 전류는 스핀 편극, 흡수 및 스핀오비트 결합 매개변수에 어떻게 의존하는가?

주요 결과

• [110] 방향으로 편광 수성에 따라 달라지는 광전류가 관측되었으며, 흡수 피크에서 부호가 반전되어 주로 스핀-갈바닉 효과가 지배하고 있음을 시사한다.
• [1̄10] 방향의 전류는 부호 반전 없이 흡수 스펙트럼과 일치하여 주로 원형 광갈바닉 효과가 지배하고 있음을 시사한다.
• 스핀-갈바닉 전류는 스핀 편극과 라슈바 스핀 분리 매개변수 βxy(1)에 비례하며, jSGE,y ∝ eβxy(1)/ħ × (τpτs/τ′s) × (η21I/ħω)Pcircξ 로 표현된다.
• 스핀-갈바닉 전류의 감쇠 시간은 총 스핀 리프레시 시간 τs 와 일치하여 그 기원이 스핀 리프레시 과정임을 확인한다.
• 스핀에 의존하는 산란 행렬과 Elliot-Yafet 메커니즘을 사용한 이론적 모델링이 실험 데이터와 양호한 일치를 보였다.
• τp/τ′s 의 비율이 운동량 리프레시 시간에 독립적임이 밝혀져 스핀 리프레시와 전류 생성 간의 근본적인 연관성이 있음을 시사한다.