[论文解读] Can an electric current orient spins in quantum wells?

Sergey Ganichev, Sergey Danilov+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2004

Quantum and electron transport phenomena被引用 15

一句话总结

本文展示了通过自旋-轨道耦合和自旋依赖的弛豫，电流可在GaAs量子阱中的二维空穴系统中诱导出静态自旋极化。利用太赫兹透射测量，作者在室温下观测到电流诱导的自旋取向，法拉第旋转主导了信号，并证实了在不同电流密度下自旋极化度分别为3.2×10⁻⁴和0.8×10⁻⁴。

ABSTRACT

A longstanding theoretical prediction is the orientation of spins by an electrical current flowing through low-dimensional carrier systems of sufficiently low crystallographic symmetry. Here we show by means of terahertz transmission experiments through two-dimensional hole systems a growing spin orientation with an increasing current at room temperature.

研究动机与目标

• 通过实验验证长期以来的理论预测：在具有反演对称性破缺的低维系统中，电流可使自旋定向排列。
• 研究自旋-轨道耦合与自旋依赖弛豫在电流作用下产生静态自旋极化中的作用。
• 区分在太赫兹透射实验中，双折射吸收与法拉第旋转作为检测电流诱导自旋极化的主导机制。
• 量化室温下二维空穴系统中电流诱导的自旋极化程度。
• 验证基于Eliott-Yafet和D’yakonov-Perel机制的电流诱导自旋极化理论模型。

提出的方法

• 在多个基于GaAs的量子阱中进行太赫兹透射实验，其内含二维空穴系统。
• 使用线性偏振远红外辐射，通过偏振态变化探测自旋依赖的光学响应。
• 测量双折射吸收与法拉第旋转效应，以识别自旋检测的主导机制。
• 通过交叉偏振片与旋转分析器，分离并量化不同电流密度下的法拉第旋转角。
• 利用Aronov等人提出的理论框架对自旋极化进行建模，通过公式(5)关联电流密度、自旋-轨道耦合强度与有效质量。
• 区分自旋-轨道耦合项（如σ_z k_x与σ_x k_y），以评估不同弛豫机制的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室温下，电流是否能在二维空穴系统中诱导出静态自旋极化？
• RQ2 太赫兹透射中观测到的信号是由双折射吸收还是法拉第旋转引起，哪种机制占主导？
• RQ3 电流诱导自旋极化的大小是多少，其与电流密度的关系如何？
• RQ4 自旋-轨道耦合与自旋依赖弛豫在观测到的自旋取向中起何种作用？
• RQ5 基于Eliott-Yafet和D’yakonov-Perel机制的理论模型在多大程度上能解释实验结果？

主要发现

• 实验为GaAs量子阱中室温下电流诱导自旋取向提供了直接证据，证实了数十年来理论预测的正确性。
• 法拉第旋转而非双折射吸收主导了观测信号，这由信号与电流密度的线性依赖关系所表明。
• 在电流密度分别为3 mA/cm²和0.75 mA/cm²时，样品A和样品B的法拉第旋转角分别为每量子阱0.4 mrad和0.15 mrad。
• 理论估算的自旋极化值（3.2×10⁻⁴和0.8×10⁻⁴）与观测到的法拉第旋转一致，验证了理论模型。
• 线性电流依赖关系排除了双折射吸收所预期的二次方行为，确认法拉第旋转为主导机制。
• Eliott-Yafet与D’yakonov-Perel自旋弛豫机制均对自旋取向有贡献，后者源于动量空间中的动量依赖自旋弛豫。