[论文解读] Nanosecond spin-transfer over tens of microns in a bare GaAs/AlGaAs layer

Lukáš Nádvorník, Petr Němec+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2015

Quantum and electron transport phenomena参考文献 19被引用 9

一句话总结

本研究在未掺杂的GaAs/AlGaAs外延层中实现了超过10微米距离的纳秒级自旋输运，利用了本征的高电子迁移率和抑制的电子-空穴复合。长自旋寿命与高迁移率的结合使得无需掺杂或异质结构工程即可实现超快、长距离的自旋输运。

ABSTRACT

The spin-conserving length-scale is a key parameter determining functionalities of a broad range of spintronic devices including magnetic multilayer spin-valves in the commercialized magnetic memories or lateral spin transistors in experimental spin-logic elements. Spatially resolved optical pump-and-probe experiments in the lateral devices allow for the direct measurement of the lengthscale and the time-scale at which spin-information is transferred from the injector to the detector. Using this technique, we demonstrate that in an undoped GaAs/AlGaAs layer spins are detected at distances reaching more than ten microns from the injection point at times as short as nanoseconds after the pump-pulse. The observed unique combination of the long-range and highrate electronic spin-transport requires simultaneous suppression of mechanisms limiting the spin life-time and mobility of carriers. Unlike earlier attempts focusing on elaborate doping, gating, or heterostructures we demonstrate that the bare GaAs/AlGaAs layer intrinsically provides superior spin-transport characteristics whether deposited directly on the substrate or embedded in complex heterostructures.

研究动机与目标

• 在无需掺杂或复杂异质结构的简单未掺杂GaAs/AlGaAs异质结构中实现长距离、高速自旋输运。
• 克服通常在掺杂或调制掺杂半导体中观察到的长自旋寿命与高电子迁移率之间的权衡。
• 证明裸GaAs/AlGaAs中的本征材料特性可支持适用于自旋电子器件的自旋输运。
• 利用时间和空间分辨的光学泵浦-探测技术测量自旋扩散长度和自旋寿命。
• 通过霍尔测量和太赫兹光谱法验证系统的电子特性。

提出的方法

• 使用波长为815 nm、重复频率为12.5 ns的锁模Ti:Sapphire激光器进行时间和空间分辨的磁光泵浦-探测光谱测量。
• 利用圆偏振泵浦光束生成自旋极化的电子，利用线偏振探测光束检测自旋依赖的反射率。
• 采用20×物镜（数值孔径0.4）实现亚2 μm的空间分辨率，用于自旋扩散的成像。
• 在二维方向扫描泵浦光束焦点，测量在不同时间延迟下从注入点到探测器的自旋扩散。
• 在18 K下进行电学霍尔测量，以确定载流子迁移率并确认自由载流子的存在。
• 采用太赫兹时域光谱法探测瞬态电导率，并确认电子-空穴对的空间分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 本征GaAs/AlGaAs外延层是否能在纳秒时间尺度下支持数十微米距离的自旋输运？
• RQ2 在光学激发下，未掺杂GaAs/AlGaAs外延层中的自旋扩散长度和自旋寿命是多少？
• RQ3 该体系中未进行有意掺杂对自旋寿命和电子迁移率有何影响？
• RQ4 是否可在简单的未掺杂半导体结构中实现长自旋寿命与高电子迁移率的结合？
• RQ5 内建电场在抑制电子-空穴复合并延长自旋寿命方面起什么作用？

主要发现

• 观察到自旋输运距离超过10微米，10 K时自旋扩散长度约为10.5 μm。
• 测得自旋寿命约为10–100 ns，显著延长，归因于内建电场抑制电子-空穴复合。
• 未掺杂GaAs/AlGaAs层中的电子迁移率在10 K时达到约10⁵ cm² V⁻¹ s⁻¹，表明无需掺杂即可实现高载流子迁移率。
• 该体系表现出约100 cm² s⁻¹的长自旋扩散系数，与高迁移率和长自旋寿命一致。
• 霍尔测量证实存在自由载流子，面载流子密度约为4×10¹³ cm⁻²，迁移率约为10⁵ cm² V⁻¹ s⁻¹。
• 太赫兹光谱证实光生载流子存在空间分离，排除了快速复合的可能性，支持长自旋寿命。