2022 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 広島大学, ナノデバイス研究所, 教授 (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, 研究主任 (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, フロンティア機能物性研究部, 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 / Kerr回転 / GaAsBi |
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| Outline of Annual Research Achievements |
計画最終年度となる2022年度は、前年度まで取り組んできた電子スピンの安定輸送が可能なGaAs量子構造に対して、電子スピンの効率的な電界制御機能を付与する研究を行った。電子スピンのゲート電圧による回転制御を達成するには、強力な有効磁場を生み出すために強いスピン軌道相互作用が必要となる。一方、GaAsはIII-V族半導体の中でも比較的軽元素で構成されており、その中で活用できるスピン軌道相互作用は決して強くはない。具体的にはGaAsを伝導チャネルとしたスピントランジスタ構造では、電場制御によってスピンを一回転させるために20マイクロメートル以上の伝搬距離を要するため、電子スピンを遠くまで輸送できても集積度が著しく低下し、論理素子としての致命的な欠陥につながる。そこで、我々は最も重いV族元素であるBiを少量添加したGaAsBiを伝導チャネルに用いることでスピン軌道相互作用を飛躍的に大きくすることを試みた。実際に、低温成長したGaAsBi（Bi = 3.9 %）量子井戸を伝搬する電子スピンに作用する有効磁場を時間分解Kerr回転顕微測定により評価したところ、通常のGaAs量子井戸中よりも約10倍程度大きな有効磁場が電子に作用していることが分かった。3.9%という少量のBi添加にもかかわらず、極めて大きなスピン軌道相互作用の増強効果が発揮されたことはInGaAs系やGaAsSb系においてもみられない効果であり、Bi元素の有する巨大スピン軌道相互作用の影響であることが理論的な考察より明らかになった。本成果はGaAsBi系におけるスピン軌道相互作用を世界で初めて定量的に評価したもので、学術的にも大きなインパクトを有する。本研究テーマを通じて達成したGaAsをベースとした電子スピンの安定輸送と巨大スピン軌道相互作用の導入はスピン自由度を用いた論理素子の実現に向けた大きな一歩である。
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| Research Progress Status |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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[Presentation] Long-lived spin dynamics in light-induced confinement potential generated in GaAs quantum wells2022
Author(s)
〇H. Sanada, Y. Kunihashi, A. M. Stramma, Y. Tanaka, H. Gotoh, K. Onomitsu, F. Tagarelli, M. Kohda, J. Nitta, T. Tawara, T. Sogawa
Organizer
ICPS2022
Int'l Joint Research
