All-optical manipulation of spins in semiconductors using orbital motion

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K14528
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 29010:Applied physical properties-related
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: Ishihara Jun 東京理科大学, 理学部第一部応用物理学科, 講師 (50801156)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 電子スピン / スピン軌道相互作用 / スピンテクスチャ / ベクトル光渦

Outline of Final Research Achievements

In compound semiconductor quantum structures, the spins exhibit various spatial structures depending on the balance between two types of spin-orbit interactions. We reveal that irradiating CW laser, which does not cause interband absorption, to GaAs/AlGaAs single quantum well enhances the spin-orbit interaction of the Rashba and modulates the spatial distribution of spins. Furthermore, we demonstrate that a vector vortex beam with azimuthal angle dependence of polarization arising from orbital angular momentum, directly excites a spatial spin pattern in which spin states are repeated in a circle. The number of rotations of the periodic spin structure reflects the topological number associated with the vector optical vortex, providing evidence that the helicity structure is imprinted on the spin structure.

Free Research Field

半導体スピントロニクス

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

非磁性体中では非保存量である電子スピンも、2つのスピン軌道相互作用を利用した永久スピン旋回状態では長寿命状態になる。この時、スピン状態はストライプ状の特異なスピンテクスチャを描く。本研究で示したスピンテクスチャの光制御やベクトル光渦を用いたスピンテクスチャの直接励起は、スピン空間構造の生成、検出、制御の全てを光という共通ツールで実現可能にする。これらは光通信分野で発展した空間分割多重といった技術と同様にスピン空間情報を固体中で用いるために重要な知見となる。