東北大,スピン軌道相互作用の符号反転に成功

東北大学は,スペイン・セビリア大学と共同で,スピン干渉効果の異方性を実験と理論から詳細に調べた結果,半導体InGaAs二次元電子ガス中のDresselhausスピン軌道相互作用がゲート電圧によって符号反転することを見いだした(ニュースリリース)。

電子スピンは微小な磁石の性質を持つことから,従来磁場をもちいてスピン生成・制御・検出が行なわれてきた。近年,電子の持つ「スピン」の自由度を電気的に操作することにより,新しい機能を備えたスピントロニクスデバイスの開発が精力的に行なわれている。

研究グループは,多数のリング列を伝搬する電子スピンの位相をRashbaスピン軌道相互作用により制御し電気伝導測定からスピン干渉を電場操作出来ることを実証してきた。Rashbaスピン軌道相互作用とDresselhausスピン軌道相互作用が共存すると,二つ併せたスピン軌道相互作用の作る全有効磁場の強さは異方性を持つ。

面内磁場の方向を変化させることにより,スピン干渉効果の振幅が変化し,この有効磁場の異方性を観測することが可能。リング列に印加するゲート電圧によりRashbaスピン軌道相互作用を変化させるとスピン干渉効果振幅の異方性が反転することを見いだした。

また,この時のゲート電圧はRashbaスピン軌道相互作用の符号は変化していないことを確認している。観測されたスピン干渉効果の異方性反転は,Dresselhausスピン軌道相互作用の符号が反転したことによって生じたものであることを,理論と比較することにより突き止めた。今回の研究は,Dresselhausスピン軌道相互作用の符号が電場により反転可能であることを示した初めての結果という。

これまで,Dresselhausスピン軌道相互作用は材料固有の値として考えられてきたが,運動量の高次の効果を考慮するとキャリア濃度による変調が理論的に可能となる。Dresselhausスピン軌道相互作用の作る有効磁場の向きはRashbaスピン軌道相互作用の作る有効磁場と対称性が異なることから,二つのスピン軌道相互作用を組み合わせることにより,さらに自在なスピン電場操作が可能になる。

研究グループは,今回の研究が半導体だけでなく化合物一般においても可能となることが期待されることから,さらなるスピントロニクスへの展開が期待されるとしている。

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