スピン・軌道相互作用により変調された半導体量子閉じ込め場中正孔のスピンテクスチャ

自旋轨道相互作用调制的半导体量子限域场中空穴的自旋织构

• 批准号: 20J11391
• 负责人: 東条 樹
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J11391/
• 关键词: 正孔; スピン–軌道相互作用; SiGe二元合金; 二次元量子井戸; Rashba効果; Dresselhaus効果; スピンテクスチャ; Berry位相; スピン・軌道相互作用; IV族半導体

令和3年度では昨年度に引き続き、SiGe量子井戸におけるRashbaおよびDresselhausスピン-軌道相互作用(SOI)について検討し、これらが価電子帯上端近傍の三種正孔(HH、LH、SH)にもたらす変調効果について詳細に議論した。SiGe二元合金は閃亜鉛鉱構造をとるため、Si原子とGe原子の交互配置による反転中心の消失により、系にはDresselhaus-SOIが生じる。このSOIに起因する有効磁場により、スピンは面内方向に分極する。このスピンは<110>方向では等エネルギー面接線方向に配向するが、<100>方向では等エネルギー面法線方向に配向し、スピン-運動量ロッキングが破綻することが明らかとなった。また、擬縮退領域におけるスピン状態の不定性により、SHの<110>方向には擬縮退点を中心としたスピン渦構造が出現することを見出した。続いて我々はSiGe量子井戸に対して面直方向に外部電場を印加し、Rashba-SOIとDresselhaus-SOIとの共存効果を議論した。Rashba-SOIはスピンを等エネルギー面接線方向に配向させ、スピン-運動量ロッキングを生じさせる。しかし、ここにDresselhaus-SOIが加わることで両SOIが競合し、スピン-運動量ロッキングが成立する領域と破綻する領域とが混在する。それにも関わらず、両SOIの対称性に起因する鏡映面により、<110>、<-110>方向においては厳密にスピン-運動量ロッキングが成立することが明らかとなった。また、両SOIの共存によりブリルアンゾーンには複数の擬縮退領域が出現する。これらの領域においては特異なスピン特性に加えて顕著なBerry位相が生じることを見出した。これらの成果は未だ研究例が少ない正孔スピンの特質を初めて明らかにしたものであり、今後のスピントロニクスの発展を支える礎となることが期待される。

2021财年，继去年的基础上，我们将研究SiGe量子阱中的Rashba和Dresselhaus自旋轨道相互作用（SOI），并研究它们对靠近顶部的三种类型空穴（HH、LH、SH）的调制效应。价带进行了详细讨论。由于SiGe二元合金具有闪锌矿结构，由于Si和Ge原子的交替排列导致反转中心消失，系统产生了Dresselhaus-SOI。 SOI 产生的有效磁场使自旋沿面内方向极化。在<110>方向，该自旋定向为等能面方向，但在<100>方向，它定向为垂直于等能面的方向，自旋动量锁定被打破。我们还发现，由于赝简并区自旋态的不确定性，在SH的<110>方向上出现了以赝简并点为中心的自旋涡结构。接下来，我们施加垂直于 SiGe 量子阱的外部电场，讨论了 Rashba-SOI 和 Dresselhaus-SOI 的共存效应。 Rashba-SOI 将自旋定向在等能表面的方向上，从而导致自旋动量锁定。然而，随着 Dresselhaus-SOI 的加入，两种 SOI 相互竞争，并且存在自旋动量锁定建立的区域和被破坏的区域。然而，研究表明，由于两个 SOI 的对称性造成的镜面，自旋动量锁定严格建立在 <110> 和 <-110> 方向上。此外，由于两种SOI的共存，布里渊区出现了多个伪简并区。我们发现，除了独特的自旋特征之外，这些区域还出现了显着的贝里相。这些结果首次阐明了尚未被广泛研究的空穴自旋的特性，并有望为自旋电子学的未来发展奠定基础。

项目成果

Spin textures and Larmor precession of holes modulated by the spin-orbit coupling confined in the two-dimensional Si_x Ge_1-x mixed-alloy quantum well system

二维Si_x Ge_1-x混合合金量子阱系统中自旋轨道耦合调制空穴的自旋织构和拉莫尔进动

• DOI: 10.1088/1361-648x/ab549a
• 发表时间: 2020
• 作者: Tatsuki Tojo; Kosei Tsuruta; Yuzuru Takahashi;Kyozaburo Takeda
• 通讯作者: Kyozaburo Takeda

Spin texture and Larmor precession caused by Rashba spin-orbit interaction for holes confined in quasi-two dimensional silicon quantum well system: crystal face dependence

准二维硅量子阱系统中受限空穴的Rashba自旋轨道相互作用引起的自旋织构和拉莫尔进动：晶面依赖性

• 发表时间: 2021
• 作者: Shuhei Nakazawa; Katsumi Sato; Tatsuki Tojo;Kyozaburo Takeda
• 通讯作者: Kyozaburo Takeda

Si二次元量子井戸内正孔のスピン・軌道相互作用:Larmor歳差運動の量子面方位依存性

Si二维量子阱中空穴的自旋轨道相互作用：拉莫尔进动的量子平面方向依赖性

• 发表时间: 2020
• 作者: 武田 京三郎;東条 樹;坂口 淳;横山 順司
• 通讯作者: 横山 順司

RashbaおよびDresselhausスピン軌道相互作用共存下のSiGe量子井戸内正孔におけるスピンテクスチャおよびBerry曲率

Rashba 和 Dresselhaus 自旋轨道相互作用共存下 SiGe 量子阱孔中的自旋织构和贝里曲率

• 发表时间: 2020
• 作者: 東条 樹;武田 京三郎
• 通讯作者: 武田 京三郎

Si二次元量子井戸に閉じ込められた正孔に対するスピン・軌道相互作用の面方位依存性

限制在 Si 二维量子阱中的空穴自旋轨道相互作用的平面取向依赖性

• 发表时间: 2020
• 作者: 佐藤 克;中澤 周平;東条 樹;武田 京三郎
• 通讯作者: 武田 京三郎