III-V族磁性半導体ヘテロ構造の光キャリア誘起磁性

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12750021
• Research Institution: Kanagawa Academy of Science and Technology
• Principal Investigator: 大岩 顕 (財)神奈川科学技術アカデミー, 光磁性半導体プロジェクト, 研究員 (10321902)
• Keywords: III-V族磁性半導体 / キャリア誘起磁性 / スピン偏極キャリア注入 / 磁化方向制御 / スピントロニクス

Research Abstract

平成13年度は、光キャリア誘起磁性の新しい側面として、円偏光励起によって強磁性強磁性半導体の磁化方向が変化するという新現象を見出し詳細な実験を行った。さらにその過渡応答測定するため測定系の構築を行い、当年度に幾つか重要なデータを得ることができた。これらは磁場を使わない強磁性体磁化反転技術へと繋がるスピントロニクスにとって重要な知見である。
1.円偏光照射による強磁性半導体(Ga, Mn)Asの磁化方向制御
III-V族磁性半導体では価電子帯と磁性原子のd状態とが強く混成していることが強磁性の発現にとって重要である。円偏光で生成されたスピン偏極した非平衡キャリア(電子・正孔)がこの強い結合を介して、キャリアのスピン偏極に応じた方向へMnを配向させると予測し、これを電気伝導と磁気光学の測定により観測した。励起光エネルギーがバンドギャップよりも低いばあい、円偏光誘起磁化は観測されていない。このことは観測した光誘起磁化が光励起で生成された非平衡キャリアによるものであることを示している。光誘起磁化の大きさは励起強度に比例し、実験の範囲では飽和磁化の15%にも及ぶ大きな磁化変化が観測された。この光誘起磁化には光を切った後も記憶効果が観測されている。この記憶効果は高磁場下や転移点よりも高温で観測されなことから強磁性結合を感じるMnの反転が、磁区を単位とした集団的な反転へ発展していく過程が存在することが示唆されることを明らかにした。
2.円偏光誘起磁化の時間分解ファラデー回転測定
上記の円偏光誘起磁化のメカニズムを解明するために、ファラデー回転を測定して、円偏光励起による磁化変化の過渡応答を調べた。これまでのところ、非常に早い磁化の立ち上がりが観測され、磁気ポーラロンの生成による磁化ではないことが分かった。またファラデー回転の緩和は20ps程度の早い部分と100ps以上にわたって起こる長い成分とが観測されており、円偏光誘起磁化のともに光照射によってキャリア濃度が増加したために起こるキャリア誘起磁性が観測されたと考えている。

Research Products

• [Publications] A.Oiwa, T.Slupinski, H.Munekata: "Control of magnetization reversal process by light illumination in ferromagnetic semiconductor heterostructure p-(In, Mn)As/GaSb"Applied Physics Letters. 78. 518-520 (2001)
• [Publications] A.Oiwa, T.Slupinski, H.Munekata: "Effect of light illumination on the process of magnetization reversal in carrier-induced ferromagnetic semiconductors"Physica E. 10. 201-205 (2001)
• [Publications] 大岩 顕: "光で磁性を制御する -光磁性半導体の新しい展開-"応用物理. 71. 47-51 (2002)
• [Publications] A.Oiwa, Y.Mistumori, R.Moriya, T.Slupinski, H.Munekata: "Effect of optical spin injection on ferromagnetically-coupled Mn spins in III-V magnetic alloy semiconductor (Ga, Mn)As"Physical Review Letters. (発表予定).