[论文解读] Spin-galvanic effect due to optical spin orientation

Sergey Ganichev, Petra Schneider+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2003

Magneto-Optical Properties and Applications被引用 3

一句话总结

本论文在无外加磁场条件下，通过自由电子激光器激发的共振子能级间跃迁，实现了n型GaAs量子阱在圆偏振红外光激发下的自旋-热电效应。关键结果是在[110]方向观测到手性依赖的光电流，其由光学自旋极化及Rashba与Dresselhaus自旋轨道耦合的协同作用驱动，微观理论模型验证了实验结果。

ABSTRACT

Under oblique incidence of circularly polarized infrared radiation the spin-galvanic effect has been unambiguously observed in (001)-grown $n$-type GaAs quantum well (QW) structures in the absence of any external magnetic field. Resonant inter-subband transitions have been obtained making use of the tunability of the free-electron laser FELIX. It is shown that a helicity dependent photocurrent along one of the $<110>$ axes is predominantly contributed by the spin-galvanic effect while that along the perpendicular in-plane axis is mainly due to the circular photogalvanic effect. This strong non-equivalence of the [110] and [1$\bar{1}$0] directions is determined by the interplay between bulk and structural inversion asymmetries. A microscopic theory of the spin-galvanic effect for direct inter-subband optical transitions has been developed being in good agreement with experimental findings.

研究动机与目标

• 通过光学激发在零磁场条件下演示自旋-热电效应。
• 研究自旋轨道耦合（Rashba与Dresselhaus）在产生自旋极化电流中的作用。
• 从对称性与微观起源角度，区分自旋-热电效应与圆偏振光电流效应。
• 建立并验证直接子能级间跃迁中自旋-热电效应的微观理论。

提出的方法

• 利用可调谐自由电子激光器（FELIX）在斜入射条件下激发共振子能级间跃迁。
• 在室温下测量了未加偏压的GaAs/AlGaAs量子阱（阱宽7.6–8.6 nm）中的光电流。
• 通过菲涅尔菱形产生圆偏振光（σ⁺与σ⁻）以控制手性。
• 沿[110]与[1̄10]晶体学方向测量电流，以探测方向不对称性。
• 基于自旋依赖的散射矩阵元与Elliott-Yafet机制，发展了微观理论。
• 利用自旋轨道耦合参数βxy与βyx及自旋弛豫时间τ′s，推导了理论电流表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无外加磁场条件下，通过光学激发观测到自旋-热电效应？
• RQ2 体相与结构反演不对称性之间的协同作用如何破坏[110]与[1̄10]方向的对称性？
• RQ3 尽管表观描述相似，自旋-热电效应与圆偏振光电流效应在微观机制上如何不同？
• RQ4 自旋-热电电流对自旋极化、吸收及自旋轨道耦合参数的依赖关系如何？

主要发现

• 在[110]方向观测到手性依赖的光电流，且在吸收峰处电流符号发生反转，表明主导效应为自旋-热电效应。
• [1̄10]方向的电流遵循吸收光谱且无符号反转，表明主导效应为圆偏振光电流效应。
• 自旋-热电电流与自旋极化及Rashba自旋分裂参数βxy(1)成正比，满足jSGE,y ∝ eβxy(1)/ħ × (τpτs/τ′s) × (η21I/ħω)Pcircξ。
• 自旋-热电电流的衰减时间与总自旋弛豫时间τs一致，证实其源于自旋弛豫过程。
• 基于自旋依赖散射矩阵与Elliott-Yafet机制的理论建模与实验数据具有良好一致性。
• τp/τ′s的比值与动量弛豫时间无关，表明自旋弛豫与电流生成之间存在根本性关联。