2020 Fiscal Year Annual Research Report
Realization of macroscopic coherence of electron spins with persistent spin helix state
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20H02563
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| Research Institution | NTT Basic Research Laboratories |
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Principal Investigator |
国橋 要司 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, フロンティア機能物性研究部, 主任研究員 (40728193)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
後藤 秀樹 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 企画, 所長 (10393795)
小野満 恒二 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 多元マテリアル創造科学研究部, 主任研究員 (30350466)
田中 祐輔 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, フロンティア機能物性研究部, 研究員 (40787339)
眞田 治樹 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 企画, 特別研究員 (50417094)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | スピン軌道相互作用 / スピントロ二クス / Kerr回転 / スピン緩和 / ポンプ・プローブ法 / 永久スピンらせん状態 / 量子井戸 / 二次元電子ガス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2020年度には研究計画の基盤となるGaAs量子井戸構造の設計、および分子線エピタキシーによるエピウェハの成長を行った。作製したGaAs量子構造の基本物性を調べるためにエピウェハをゲート電極付き十字型デバイスに加工し、電子スピンのドリフト輸送実験に着手した。モードロックTi:Sapphireレーザーを用いてGaAs量子井戸内のバンドギャップに相当するエネルギーにおいてKerr回転顕微測定を実施したところ、電子スピンが空間的に伝搬していく様子を可視化することに成功した。これは電子スピンがドリフトバイアスによって加速され、電気的に輸送されたことを意味する。また、ゲート電圧の変調による空間的なスピン歳差運動周期の変化も観測されており、ラシュバ型スピン軌道相互作用がゲート電圧によって変調されていることを確認した。一方、光励起によって生成したスピン偏極電子のドリフト速度を時間分解Kerr回転測定によって評価したところ、素子にダメージを与えない範囲の印加電圧領域において、最大40km/s程度の速度で電子スピンがドリフトしていることが分かった。これらの結果から、我々の作製したGaAs量子井戸構造はドリフトスピンダイナミクスを調べるための極めて有望なプラットフォームとして機能していることが確かめられた。
また、ゲート電圧によるラシュバ型スピン軌道相互作用の変調効果により、GaAs量子井戸内において永久スピンらせん状態が実現できていることもっ確認した（永久スピンらせん状態ではラシュバ型およびドレッセるハウス型のスピン軌道相互作用が等しくなり、スピン緩和が極めて強く抑制される）。次年度以降にエピウェハをナノワイヤ状に加工すれば、永久スピンらせん状態とチャネルの準一次元化によるスピン緩和抑制効果を取り込んだ、理想的なスピン伝導チャネルが実現できる可能性がある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2020年度に計画していた通り、ドリフトスピンダイナミクスを評価するためのプラットフォームとなるGaAs量子井戸構造を設計し、実際に分子線エピタキシー結晶成長装置によって作製した。また、ポンプ・プローブ法に基づく時間分解Kerr回転顕微測定の結果、光励起によって作り出した電子スピンの運動を可視化することにも成功した。得られたドリフト速度が40km/s程度であり、当初の予定値には及んでいないもののが次年度以降の研究計画を実施するのに十分な品質の量子構造であるといえる。
また、ゲート電圧によってラシュバ型のスピン軌道相互作用の制御することで、スピン緩和を強力に抑制することのできる永久スピンらせん状態が実現可能であることも確かめた。このことは、研究計画の中で中心的役割を果たす永久スピンらせん状態が実現可能なGaAs量子構造を作製できたことを意味しており、初年度における十分な研究進捗であるといえる。以上より、本研究課題における2020年度の進捗状況はおおむね順調である。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度に永久スピンらせん状態が実現できるGaAs量子井戸構造の作製と、その基本的なスピン物性の評価することができた。次年度重要となるのは、電子スピンを長距離輸送することのできる準一次元チャネルを含むナノデバイスの作製である。
レーザースポット径よりも小さなメサ構造に対してKerr回転計測をすると、メサ構造の端面における反射光が偏光を乱すため、メサ界面のラフネスなどによって大きなノイズが発生する。これを解決するために、我々はトレンチ（溝）構造によってメサを作製する手法を検討している。通常、伝導チャネルなどのメサ構造を作製する際は、二次元電子ガスが必要な部分だけを残し、その周りの領域すべてをエッチングする方法をとる。しかし、これでは前述の問題で光ノイズが顕著になってしまう。そこで、光の回折限界以下の細い溝を使って二次元電子ガスを切り分けることで、素子形状を付与することを試みる。具体的には、トレンチ幅およそ200nmで二次元電子ガスをパターンニングし、不必要な光の反射や偏光面の回転が起きにくいように配慮する。この形状の工夫によってスポット径以下のナノ構造であっても正確にスピンダイナミクスの評価が可能になると思われる。
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