[论文解读] Orbital contributions to the electron g-factor in semiconductor nanowires

Georg Winkler, Dániel Varjas+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用 5

一句话总结

该论文通过识别轨道角动量与自旋-轨道耦合之间的L⋅S耦合为高能级亚能带中电子g因子显著增大的主导机制，解释了在InAs和InSb纳米线中观测到的出乎意料的大电子g因子。具有非零轨道角动量的态中L⋅S耦合导致g因子最高达43，远超体材料值，且在磁场旋转下表现出强烈的各向异性，便于实验验证。

ABSTRACT

Recent experiments on Majorana fermions in semiconductor nanowires [Albrecht et al., Nat. 531, 206 (2016)] revealed a surprisingly large electronic Landé g-factor, several times larger than the bulk value - contrary to the expectation that confinement reduces the g-factor. Here we assess the role of orbital contributions to the electron g-factor in nanowires and quantum dots. We show that an LS coupling in higher subbands leads to an enhancement of the g-factor of an order of magnitude or more for small effective mass semiconductors. We validate our theoretical finding with simulations of InAs and InSb, showing that the effect persists even if cylindrical symmetry is broken. A huge anisotropy of the enhanced g-factors under magnetic field rotation allows for a straightforward experimental test of this theory.

研究动机与目标

• 解决InAs和InSb纳米线中电子g因子异常偏大这一长期存在的难题，其值比体材料值高出最多40%。
• 识别这种增强效应的物理起源，特别是在高化学势区域，此时观测到较大的g因子。
• 证明在具有非零角动量的高能级亚能带中，通过L⋅S耦合的轨道贡献是导致g因子增强的原因。
• 提供一个即使在破坏圆柱对称性的情况下也有效的理论框架，适用于实际纳米线器件。
• 提供一个清晰的实验信号——在磁场旋转下g因子表现出强烈各向异性——以检验该理论。

提出的方法

• 使用有效质量近似和自旋-轨道耦合，对圆柱形纳米线中的电子态进行理论分析，重点关注具有非零轨道角动量的亚能带。
• 在哈密顿量中引入L⋅S耦合，以模拟在外加磁场下轨道角动量引起的自旋排列。
• 对直径为40 nm的InAs和InSb纳米线进行数值模拟，施加外部电场和不同方向的磁场。
• 使用紧束缚模型和从第一性原理导出的参数，验证在具有破缺对称性的实际纳米线几何结构中的结果。
• 通过外加磁场下的Zeeman分裂计算g因子，包括作为磁场取向函数的各向异性。
• 模拟近邻耦合纳米线中的Majorana束缚态，通过Andreev束缚态斜率提取g因子。

实验结果

研究问题

• RQ1 在InAs和InSb纳米线中，导致电子g因子异常偏大的原因是什么，特别是在高化学势区域？
• RQ2 轨道角动量与自旋-轨道耦合如何共同作用，使g因子超过体材料值？
• RQ3 在磁场旋转下g因子的各向异性在多大程度上可作为识别轨道贡献的诊断工具？
• RQ4 在具有破缺对称性的非圆柱形纳米线中（如具有门控Rashba效应的纳米线），轨道增强机制是否仍能持续存在？
• RQ5 在具有实际几何形状的量子点和纳米线中，轨道贡献对g因子的定量影响是什么？

主要发现

• 在高能级亚能带中，轨道角动量导致强烈的L⋅S耦合，使小带隙半导体中的电子g因子增强一个数量级以上或更多。
• g因子增强在|l| = 2的亚能带中最为显著，在真实条件下InAs纳米线中的g因子最高可达43。
• g因子表现出极端各向异性：当磁场垂直时，g因子几乎降至零，这是由于主导的轨道磁场所致自旋沿纳米线轴方向排列。
• 即使在破坏圆柱对称性的情况下（如六方纳米线，或存在外电场和门电位时），该效应依然稳健。
• 对近邻耦合InAs纳米线的模拟在真实化学势调制下，成功再现了|l|=1和|l|=2亚能带中实验观测到的g因子23和43。
• 该理论解释了Majorana纳米线实验中观测到的g因子的大小及其与化学势的依赖关系。