半導体量子構造中の電子・核スピンコヒーレントダイナミクスの制御に関する研究

半导体量子结构中电子和核自旋相干动力学控制研究

基本信息

批准号：
12J03251
负责人：
石原淳
金额：
$ 1.15万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2012
资助国家：
日本
起止时间：
2012 至 2014-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では, 高感度・高分解能の電子・核スピンの光検出技術を基に, GaAs量子構造中の電子・核スピンコヒーレンスの制御を光学的手法により実現し制御技術を確立することを目的としている. 本年度は, 高感度・高空間分解能を持つ時間・空間分解カー回転顕微光学系を構築することで, スピンの時空間発展を測定した. また, ゲート電界によってスピン軌道相互作用(Spin-orbit Interaction : SOI)が変調され, スピンの空間分布が変化することを直接観測した. SOIによる有効磁場はスピンの操作に有効であるが, 一方で, その運動方向依存性によりスピンの状態を急速に緩和させる. しかし, RashbaとDresselhausの2つのSOIの強さが等しいスピン永久旋回(Persistent Spin Helix : PSH)状態では有効磁場が運動方向に依らず, スピン緩和が抑制され, 原理的にはスピンが永久に伝搬されるとして注目されている. 前年度に細線中のスピンアンサンブルからPSH状態に近いことを確認している片側変調ドープの量子井戸における二次元電子のスピンの時間・空間変化を測定した結果, PSH状態で特徴的なスピンの空間的ストライプが観測され, PSH状態に近いことが直接的に確かめられた. 2つのSOIのうち構造の反転非対称に起因するRashba SOIは, 外部ゲート電圧によって井戸内の電界を変えることで制御できる. そこで次に試料に半透明ショットキーゲート電極を作製し, スピンの時空間変化のゲート電圧依存性を測定した. その結果, ゲート電圧によってスピンの空間的歳差運動の周期が変化することを直接的に観測した. また, 磁場印加時のスピン空間分布の時間変化から, RashbaとDresselhaus SOIの大きさを定量的に評価した結果, ゲート電圧が-0.2Vの時に, RashbaとDresselhaus SOIが等しくなるPSH状態になっていることがわかった.

在这项研究中，我们的目标是基于电子和核自旋的高灵敏度和高分辨率光电检测技术，通过光学方法实现对GaAs量子结构中电子和核自旋相干性的控制，从而建立一种控制技术。通过构建具有高灵敏度和高空间分辨率的时空分辨克尔旋转微观光学系统来测量自旋的时空演化：我们直接观察到随着SOI的调制，自旋的空间分布发生变化。SOI产生的有效磁场可以有效地操纵自旋，但另一方面，它对运动方向的依赖性导致自旋态的快速弛豫。然而，在持久自旋螺旋（PSH）状态下，Rashba 和 Dresselhaus 的两个 SOI 具有相同的强度，有效磁场不依赖于运动方向，并且自旋弛豫受到抑制。原则上，自旋因其永远传播而引起人们的关注。单侧调制掺杂量子阱中二维电子的自旋时间，在前一年被证实接近于薄层中自旋系综的 PSH 态。・测量空间变化的结果是，在 PSH 态中观察到了自旋的特征空间条纹，直接证实了它接近于 PSH 态。在这两种 SOI 中，Rashba SOI 是由于反演不对称性造成的。牙齿的结构，它可以通过使用外部栅极电压改变阱中的电场来控制。因此，我们接下来在样品上制造了半透明肖特基栅电极，并测量了自旋时空变化的栅极电压依赖性。我们还根据施加磁场时自旋空间分布的时间变化定量评估了 Rashba 和 Dresselhaus SOI 的大小。结果发现，当栅极电压为-0.2V时，达到PSH状态，其中Rashba和Dresselhaus SOI相等。