[论文解读] Electrical spin protection and manipulation via gate-locked spin-orbit fields

Florian Dettwiler, Jiyong Fu+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2014

Quantum and electron transport phenomena被引用 3

一句话总结

本文展示了在GaAs量子阱中通过电场可调谐、门控锁定的自旋-轨道（SO）场，实现了通过独立调节Rashba（$\alpha$）和Dresselhaus（$\beta$）SO场，同时实现电子自旋的控制与保护。通过使用上下双栅结构，作者实现了$\alpha = \beta$的连续、原位锁定，抑制了自旋弛豫，并实现了广泛可调的自旋保护，这对自旋电子学器件至关重要。

ABSTRACT

The spin-orbit (SO) interaction couples electron spin and momentum via a relativistic, effective magnetic field. While conveniently facilitating coherent spin manipulation in semiconductors, the SO interaction also inherently causes spin relaxation. A unique situation arises when the Rashba and Dresselhaus SO fields are matched, strongly protecting spins from relaxation, as recently demonstrated. Quantum computation and spintronics devices such as the paradigmatic spin transistor could vastly benefit if such spin protection could be expanded from a single point into a broad range accessible with in-situ gate-control, making possible tunable SO rotations under protection from relaxation. Here, we demonstrate broad, independent control of all relevant SO fields in GaAs quantum wells, allowing us to tune the Rashba and Dresselhaus SO fields while keeping both locked to each other using gate voltages. Thus, we can electrically control and simultaneously protect the spin. Our experiments employ quantum interference corrections to electrical conductivity as a sensitive probe of SO coupling. Finally, we combine transport data with numerical SO simulations to precisely quantify all SO terms.

研究动机与目标

• 在GaAs量子阱中实现对自旋-轨道（SO）场的广泛、原位电控，同时保持自旋保护。
• 通过顶栅和背栅实现Rashba（$\\alpha$）和Dresselhaus（$\\beta$）SO场的解耦与独立调节。
• 证明当$\\alpha = \\beta$时，自旋弛豫被显著抑制，从而实现长自旋相干时间。
• 通过输运测量与模拟精确量化立方Dresselhaus项（$\\beta_3$）及其对自旋去相位的影响。
• 建立一种可在多种自旋-轨道场调控区域（Rashba、Dresselhaus、平衡态）间调节SO场的方法，以适用于自旋电子学应用。

提出的方法

• 采用双栅结构（顶栅与背栅），通过栅压$V_T$和$V_B$独立控制载流子密度（$n$）与Rashba SO场（$\\alpha$）。
• 利用弱局域化（WL）和弱反局域化（WAL）磁电导率测量作为SO耦合强度与对称性的灵敏探测手段。
• 应用自洽的Schrödinger-Poisson模拟，提取$\\alpha$、$\\langle k_z^2 \rangle$与$\\beta_1$，并通过$\\alpha = \\beta$条件提取$\\gamma$。
• 从WAL曲线极小值处计算自旋去相位时间$\\tau_{\\rm SO}$，使用公式$\\tau_{\\rm SO} = \\hbar / (4e D B_{\\rm SO})$，其中$B_{\\rm SO}$为极小值对应的磁场。
• 采用D’yakonov-Perel机制下的有效自旋去相位时间$\\tau_{\\rm eff}$，对自旋 quantization 轴进行平均，并对立方项$\\beta_3$进行修正。
• 通过将模拟结果拟合至实验的WAL/WL数据，验证结果，获得$\\gamma = 11.6 \pm 1\ \mathrm{eV\AA^3}$，不确定度约为10%。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过双栅控制在GaAs二维电子气中独立调节Rashba与Dresselhaus自旋-轨道场？
• RQ2 能否在宽范围的栅压下维持$\\alpha = \\beta$条件，以实现延长的自旋保护？
• RQ3 立方Dresselhaus项（$\\beta_3$）在$\\alpha = \\beta$时对自旋寿命的限制作用是什么？
• RQ4 在自旋-轨道耦合存在下，栅压对$\\alpha$和$\\beta_3$的调节如何影响自旋去相位时间与长度？
• RQ5 能否在不同量子阱宽度与掺杂分布下一致地提取体材料Dresselhaus参数$\\gamma$？

主要发现

• 双栅控制实现了对Rashba场（$\\alpha$）与载流子密度（$n$）的独立调节，其中$\\alpha$可连续调节并实现符号反转。
• 通过背栅电压调节$\\beta_3$，同时保持$\\alpha = \\beta$，作者实现了在多种$\\alpha$值范围内的广泛、原位自旋保护。
• 提取出的Dresselhaus参数$\\gamma$为$11.6 \pm 1\ \mathrm{eV\AA^3}$，在不同宽度与非对称掺杂的量子阱中保持一致。
• 在高载流子密度（$n = 9 \cdot 10^{11}\ \mathrm{cm^{-2}}$）下，立方Dresselhaus项（$\\beta_3$）显著影响自旋去相位，即使在$\\alpha = \\beta$时WAL仍持续存在。
• 从WAL极小值处提取出自旋去相位时间$\\tau_{\\rm SO}$，得到$\\tau_{\\rm SO} \propto 1/B_{\\rm SO}$，其中$B_{\\rm SO}$由实验曲线确定。
• 计算出有效自旋去相位长度$\\lambda_{\\rm eff} = \sqrt{2D\tau_{\\rm eff}}$，其中$\\tau_{\\rm eff}$包含对$\\beta_3$项的修正，尤其在高$ n $时显著。