[论文解读] Gate-controlled anisotropy in Aharonov-Casher spin interference

Fumiya Nagasawa, A. A. Reynoso+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2018

Quantum and electron transport phenomena参考文献 24被引用 2

一句话总结

本研究通过InGaAs介观环实现了门控调控的Aharonov-Casher自旋干涉中各向异性的实验演示，其中Rashba与Dresselhaus自旋轨道相互作用的协同作用通过平面内磁场方向调制了AC电阻振幅。一个关键发现是，通过线性Dresselhaus自旋轨道耦合符号的改变，实现了电致各向异性反转，从而实现了通过电场和磁场调控对自旋动力学和几何相位的完全控制。

ABSTRACT

The Aharonov-Casher (AC) effect shows that the quantum spin phase can be modified by an electric field. This effect is fundamental in quantum mechanics and its applications, where AC interferometers are invaluable to probe spin-phase information. We demonstrate a gate-controlled anisotropy in AC spin interferometry using InGaAs mesoscopic rings. The coexistence of Rashba and Dresselhaus spin-orbit interactions (SOIs) manifests as an AC resistance amplitude modulated by the direction of a probe in-plane magnetic field. We establish ways to manipulate spin dynamic and geometric phases freely by employing electric and magnetic tunings. Our experimental results are well explained by perturbation theory and numerical analysis performed at constant Dresselhaus SOI, except for one particular anisotropy reversal. The observation of such a particular AC anisotropy reversal is explained as sign change in linear Dresselhaus SOI by electric means.

研究动机与目标

• 研究栅压和面内磁场方向如何影响具有竞争性Rashba与Dresselhaus自旋轨道相互作用的介观环中的自旋干涉。
• 探索通过电场与磁场联合调控实现对自旋动力学和几何相位的操控。
• 解释此前未观测到的Aharonov-Casher电阻调制中各向异性反转的起源。

提出的方法

• 制备InGaAs介观环，以容纳具有可调Rashba与Dresselhaus自旋轨道相互作用的自旋轨道耦合电子系统。
• 施加栅压以电控调节自旋轨道耦合强度，并诱导线性Dresselhaus项的符号变化。
• 测量Aharonov-Casher电阻振荡随面内磁场方向和栅压的变化关系。
• 在Dresselhaus自旋轨道相互作用保持恒定的条件下，使用微扰理论和数值模拟来拟合实验数据。
• 将实验观测到的各向异性图案与理论预测进行对比，以识别偏差，特别是各向异性反转现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 在竞争性Rashba与Dresselhaus自旋轨道相互作用存在的情况下，面内磁场方向如何影响Aharonov-Casher电阻振幅？
• RQ2 栅压是否能够诱导介观环中自旋干涉图案各向异性的反转？
• RQ3 所观测到的各向异性反转背后的物理机制是什么？其与Dresselhaus自旋轨道耦合符号变化有何关联？
• RQ4 通过电场与磁场的联合调控，自旋动力学和几何相位在多大程度上可实现独立控制？
• RQ5 微扰理论与数值模拟在多大程度上能够解释观测到的电阻调制与各向异性反转现象？

主要发现

• 由于Rashba与Dresselhaus自旋轨道相互作用共存，Aharonov-Casher电阻振幅对平面内磁场方向表现出强烈依赖性。
• 栅压可诱导电阻调制中各向异性的可逆变化，证明了对自旋干涉图案的电控调节能力。
• 实验观测到各向异性反转，并归因于栅压诱导的线性Dresselhaus自旋轨道耦合符号改变。
• 在Dresselhaus自旋轨道相互作用保持恒定的条件下，微扰理论与数值分析可解释大部分实验数据，但无法解释各向异性反转这一特定情况。
• 结果证实，通过电场与磁场的联合调控，可自由操控自旋动力学与几何相位。