GaAs/AlGaAs 2차원 전자 가스에서 광학적 스핀 홀 효과 제어: 외재적 역스핀 홀 반응의 증거

요약

GaAs/AlGaAs 2차원 전자 가스(2DEG)에서 원편광에 의해 유도된 역스핀 홀 효과가 관찰되었습니다. 광유도 역스핀 홀 효과(PISHE) 전류를 이론적 모델에 피팅하여 스핀 횡방향 힘을 결정했습니다. PISHE 전류는 다양한 빛 세기와 빛 스팟 프로파일에서도 측정되었으며, 모든 측정 결과가 이론적 계산과 잘 일치했습니다. 또한 77-300K의 다양한 온도에서 PISHE 전류를 측정했습니다. PISHE 전류의 온도 의존성은 외재적 메커니즘이 지배적 역할을 함을 나타내며, 이는 샘플 결정 방향에 대한 PISHE 전류의 약한 의존성으로 추가 확인되었습니다.

배경

스핀트로닉스는 정보 기술에서의 잠재적 응용과 응집 물질에서 전자 스핀 물리학의 근본적 질문 규명으로 많은 주목을 받아왔습니다. 스핀 홀 효과(SHE)와 그 온사거 역인 역스핀 홀 효과(ISHE)는 스핀-궤도 결합(SOC)을 통해 전하 전류를 스핀 전류로, 그 반대로 변환하는 전기적 방법을 제공하므로 스핀트로닉스에서 중요한 역할을 합니다. SHE와 ISHE는 Pt, Ta, Py, IrMn 같은 중원소 금속 박막과 Bi₂Se₃, SnTe 같은 신흥 위상 절연체에서 강한 SOC로 인해 널리 연구되었습니다. 이 두 효과는 GaAs, ZnO, Si, Ge, GaN/AlGaN, GaAs/AlGaAs 2DEG 같은 반도체에서도 관찰됩니다.

반도체에서 스핀-전하 전류 변환은 스핀트로닉스를 전자공학과 통합할 길을 여므로 중요합니다. 광유도 ISHE(PISHE)는 반도체 ISHE를 조사하는 효과적인 실험 도구로 최근 부상했습니다. 이는 가우시안 분포를 가진 원편광을 사용하여 반도체에 스핀 전류를 주입한 후 ISHE를 이용해 전하 전류를 생성합니다. PISHE 전류는 상온에서 관찰 가능하며, 자기장과 강자성 물질 없이 반도체 ISHE를 조사하는 편리한 방법을 제공합니다. 또한 PISHE는 새로운 유형의 스핀-포토닉스 소자 설계 길을 엽니다. PISHE 전류는 GaN/AlGaN, GaAs/AlGaAs, MgZnO/ZnO 헤테로구조에서 관찰되었습니다. 그러나 PISHE 전류의 빛 세기와 빛 프로파일 의존성은 아직 알려지지 않았습니다.

ISHE에는 고유 메커니즘과 외재적 메커니즘 두 가지가 있습니다. 고유 메커니즘은 완벽하게 정렬된 물질의 밴드 구조에만 의존하며, 라슈바 또는 드레셀하우스 SOC에서 기원합니다. 외재적 메커니즘은 스핀-궤도 결합 시스템에서 불순물에 의한 비대칭 모트-스큐 또는 사이드-점프 산란을 지칭합니다. 고유 또는 외재적 ISHE 메커니즘을 조사하는 많은 연구가 있지만, 대부분 이론적 작업이며 이 이슈에 초점을 맞춘 실험적 작업은 매우 적습니다. 왜냐하면 이 두 메커니즘을 실험적으로 구별하기 매우 어렵기 때문입니다.

이 논문에서는 GaAs/AlGaAs 2DEG에서 PISHE 전류를 조사합니다. PISHE 전류가 온도 증가와 함께 증가함이 밝혀졌으며, 이는 PISHE 전류가 주로 외재적 메커니즘에 의해 지배됨을 나타냅니다. 이 추론은 샘플 결정 방향에 대한 PISHE 전류의 약한 의존성으로 추가 확인됩니다. 또한 PISHE 전류의 빛 세기와 빛 프로파일 의존성을 조사했으며, 이는 이론적 모델과 매우 잘 일치합니다.

방법

실험은 분자 빔 에피택시(MBE)로 반절연성 GaAs 기판 위에 성장한 (001) 방향 변조 도핑 GaAs/AlGaAs 2DEG 시료에서 수행되었습니다. 시료의 전자 밀도와 홀 이동도는 상온에서 각각 5.18×10¹¹cm⁻²와 3.97×10³cm²/V·s로 측정되었습니다. 2DEG 이동도는 시료 성장 중 도입된 10¹⁵ 또는 10¹⁶cm⁻³ 오더의 배경 도핑으로 인해 다소 낮습니다. 시료는 [110]과 [1-10] 방향을 따라 10×10mm² 정사각형으로 쪼개졌습니다. [110]과 [100] 방향을 따라 각각 8mm 거리의 두 쌍의 옴 접점을 인듐 증착과 질소 분위기에서 약 420°C 어닐링으로 만들었습니다.

파장 1064nm의 다이오드 펌프 고체 레이저를 복사 소스로 사용했습니다. 레이저 빔은 초퍼, 편광자, 1/4 파장판을 거쳐 시료를 수직으로 조명합니다. 여기서 편광자와 회전하는 1/4 파장판은 빛 헬리시티 P_c = sin2φ를 좌측 원편광(σ⁻, P_c=-1)에서 우측 원편광(σ⁺, P_c=+1)으로 연속적으로 변경하는 데 사용됩니다. φ는 입사광 편광 방향과 1/4 파장판 광학 축 사이의 각도입니다. 시료 위 빛 스팟은 가우시안 프로파일을 가집니다. 전류는 시료의 [100](또는 [110]) 방향을 따라 두 접점 사이에서 프리앰프와 록인 앰프로 수집되며, 초퍼에서 229Hz 기준 주파수를 사용합니다. 그림 1a는 PISHE 전류 측정 설정을 보여줍니다.

전력 의존 측정을 위해 시료에 조사되는 빛 세기를 감쇠기를 사용하여 250-40mW로 변경했습니다. 빛 스팟 프로파일 변경을 위해 다른 초점 거리의 광학 렌즈를 사용했습니다. 온도 의존 측정에서는 시료를 광학 크라이오스탯에 장착하여 77-300K 온도 변화를 허용했습니다.

라슈바 대 드레셀하우스 SOC 상대 비율을 얻기 위해 원형 광전갈바닉 효과(CPGE)로 유도된 광전류를 다양한 결정학적 방향, 즉 [110]과 [100] 방향을 따라 접점을 통해 각각 수집했습니다. 입사광 평면은 두 접점 연결에 수직입니다. CPGE 측정에는 PISHE 측정과 유사한 실험 설정을 사용했으나, 빛이 [110] 또는 [100] 방향을 따라 두 접점 연결 중점에 비스듬히 조사되며, 입사각은 -40°에서 40° 범위입니다. CPGE 전류는 특정 입사각에서 빛 편광 상태 의존 광전류 J를 두 접점을 따라 수집하여 다음 식으로 피팅하여 추출했습니다[33]: J = J_CPGE sin2φ + L₁₁ sin4φ + L₂₂ cos4φ + J₁₁. 여기서 J_CPGE는 CPGE 전류, L₁₁과 L₂₂는 선편광에 의한 광전류, J₁₁은 광전효이나 덤버 효과에서 기인한 배경 전류입니다[33].

결과 및 논의

가우시안 프로파일의 원편광 조명 하에서 흡수 불포화 영역에서 공간적으로 가우시안 분포를 가진 스핀 분극 캐리어가 생성됩니다. 그 결과 반경 방향을 따라 흐르는 확산 스핀 전류가 나타납니다. 그러면 ISHE 효과로 인해 스핀 분극 캐리어가 접선 방향을 따라 "스핀 횡방향 힘"을 경험하여 축 방향으로 횡방향 전하 전류, 즉 소용돌이 전류(PISHE 전류라 명명)가 발생합니다(그림 1a 참조)[8,20]. 빛의 편광 상태가 좌측 원편광(σ⁺)에서 우측 원편광(σ⁻)으로 변경됨에 따라 전자 스핀 분극이 스핀 업에서 스핀 다운으로 변경되어 스핀 횡방향 힘과 PISHE 전류가 반전됩니다. 1/4 파장판이 0°에서 180°로 회전함에 따라 φ 각도가 0°에서 180°로 변경되며, 빛의 편광 상태는 수직 선편광(0°), 좌측 원편광(45°), 수직 선편광(90°), 우측 원편광(135°), 다시 수직 선편광(180°)으로 순차적으로 변경됩니다(그림 1c 상단 참조). 따라서 φ 각도가 45°에서 135°로 변경됨에 따라 PISHE가 반전되며, 이는 PISHE가 sin2φ에 비례함을 나타냅니다. 주목할 점은 φ=0°, 90°, 180°에서 빛이 선편광이라는 것입니다. 선편광도 광학 운동량 정렬 효과[34](L₁이라 명명) 또는 이방성 광흡수[35,36](L₂라 명명)로 인해 광전류를 유도합니다. 선편광에 의해 유도된 L₁과 L₂ 전류는 각각 sin4φ와 cos4φ에 비례합니다. 또한 광전효과나 덤버 효과에서 기인한 배경 광전류 J₁도 존재하며, 이는 빛의 편광 상태와 무관합니다. 따라서 φ에 대한 서로 다른 의존성에 따라 실험적으로 측정된 빛 편광 상태 의존 광전류 J를 다음 공식에 피팅하여 PISHE 전류를 추출할 수 있습니다[8,33]:

수식 (1)은 원문 참조

여기서 J_PISHE는 좌측 원편광에 의해 여기된 PISHE 전류, L₁과 L₂는 선편광에 의해 유도된 광전류, J₁은 배경 전류입니다[19]. 이 피팅 식, 즉 식 (1)에 L₂ 항이 포함된 것은 시료에 큰 광학 이방성이 존재하기 때문입니다. 광학 이방성은 이방성 계면 구조[37], 원자 분리[38], 잔류 응력[39]에 의해 유도될 수 있습니다.

PISHE의 공간 분포를 얻기 위해 두 접점의 수직 이등분선을 따라 레이저 스팟을 왼쪽에서 오른쪽으로 쓸었습니다[그림 1a 참조]. 각 스팟 위치에서 1/4 파장판을 0°에서 360°로 회전시키고 식 (1)을 실험적으로 측정된 빛 편광 상태 의존 광전류 J에 피팅하여 PISHE 전류를 얻었습니다. 그림 1b는 레이저 스팟이 x=-0.5mm, 즉 점 A에 고정되었을 때[그림 1a 참조] 위상 각도 φ 함수로 측정된 광전류의 전형적 결과를 보여줍니다. 광전류는 300K에서 측정되었으며 [110] 방향을 따라 두 접점을 통해 수집되었습니다. 시료 위 레이저 스팟은 약 1.4mm 직경의 가우시안 프로파일과 250mW 세기를 가집니다. 그림 1b의 원은 실험 데이터이며, 실선은 식 (1)에 따른 피팅 결과입니다. 실험적으로 측정된 광전류가 1/4 파장판 회전에 따라 주기적으로 변동함을 볼 수 있습니다. 이는 광전류가 PISHE 전류, 선편광 유도 광전류, 배경 전류의 합이며, 이들이 φ에 대해 서로 다른 의존성을 보이기 때문입니다. 파선은 PISHE 전류를, 대시-점선은 배경 전류를 나타냅니다. 파랑/초록 점선은 각각 선편광에 의해 유도된 L₁, L₂ 성분을 나타냅니다. PISHE 전류가 선편광 유도 광전류보다 훨씬 작음을 볼 수 있습니다.

얻은 PISHE 전류의 스팟 위치 함수 그래프는 그림 1c에 나와 있습니다. 레이저 스팟이 두 접점의 왼쪽에서 오른쪽으로 이동함에 따라 PISHE 전류가 방향을 반전함을 볼 수 있습니다. 레이저 스팟이 두 접점 중점에 초점화되면 PISHE 전류는 거의 0입니다. 이 현상은 광유도 역스핀 홀 효과에 의한 소용돌이 전류 모델로 정량적으로 설명할 수 있습니다[20]. 구체적으로, 가우시안 프로파일 G(r) = (1/√(2π)σ)exp(-r²/2σ²)의 레이저 복사 하에서 반경 방향을 따라 흐르는 스핀 전류가 유도되며, 이는 j_r = τ_s D ∇_r G(r)로 표현됩니다. 여기서 D는 스핀 확산 계수, τ_s는 스핀 이완 시간, r은 반경 방향, σ는 빛 세기의 반값 전폭(FWHM)과 관련된 분산 분포를 나타냅니다. ISHE 효과로 인해 스핀 분극 캐리어는 f(r) ∝ j_r × ẑ인 "스핀 횡방향 힘"을 경험합니다[20,40]. 이는 f(r) = -f₀r/σ³exp(-r²/2σ²)로 표현될 수 있습니다. 여기서 f₀는 물질 시스템의 SOC와 관련된 스핀 횡방향 힘 상수입니다. 소용돌이 전기장 E⃗는 원형 기전력(EMF)에 의해 결정될 수 있으며, 이는 ε(r₀) = (2π/q)∫₀^r₀ f(r)rdr로 쓸 수 있고, ∮E⃗(r₀)·dl⃗ = ε(r₀)를 통해 구합니다. 여기서 r₀는 빛 스팟 반경이며, 적분 루프는 빛 스팟 둘레를 따라갑니다. 따라서 우리는 다음을 얻습니다:

수식 (2)는 원문 참조

식 (2)와 [20]의 보고된 식 사이의 작은 차이는 이 논문에서 정규화된 가우시안 함수를 채택한 반면 [20]에서는 비정규화 가우시안 함수를 사용했기 때문입니다. 이 논문의 f₀는 [20]에서 보고된 f₀/σ와 동등합니다. 두 접점(각각 a와 b) 사이의 전기 전류는 다음과 같이 표현될 수 있습니다:

수식 (3)은 원문 참조

여기서 V_ab(R_ab)는 접점 a와 b 사이의 전압(저항), o는 빛 스팟 원점, S는 abo 삼각형 영역을 나타냅니다. 흡수 포화 영역, 즉 시료에 의해 흡수된 빛 세기가 일정하고 시료의 최대 흡수에 도달하는 영역은 식 (3)의 적분에서 공제되어야 합니다. 이는 그 영역에서 광생성 캐리어의 기울기가 0이므로 스핀 전류와 PISHE 전류가 모두 0이기 때문입니다.

식 (3)은 접점 a와 b가 빛 스팟으로 덮여 있을 때만 성립합니다. 빛 스팟 외부에서는 식 (2)가 더 이상 유효하지 않기 때문입니다. 따라서 밖(J_f)과 안(J_e)의 전기 전류 관계, 즉 J_f = J_e exp(-l/(A·L_s))[41]를 고려하여 식 (3)을 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

수식 (4)는 원문 참조

여기서 l은 빛 스팟 가장자리와 두 접점 연결 사이의 거리, L_s는 전자 확산 길이, A는 상수입니다. 식 (2)와 (4)를 사용하여 실험적으로 측정된 PISHE 전류를 피팅하면 스핀 횡방향 힘 f₀와 확산 길이 A·L_s를 얻을 수 있습니다. 피팅 결과는 그림 1c에 실선으로 표시됩니다. 실험 데이터가 모델로 잘 피팅됨을 볼 수 있습니다. 피팅에서 다음 실험적으로 측정된 파라미터를 사용했습니다: σ=0.2mm, L=4mm, r₀=0.7mm, R_ab=15.5kΩ. 전자의 스핀 횡방향 힘 f₀/q는 300K에서 6.8×10⁻⁶N·m/C로 피팅되었으며, A·L_s는 2.8×10⁻⁴m로 피팅되었고, 흡수 포화 영역 반경은 0.34mm로 피팅되어 빛의 흡수 포화 세기 I_c가 최대 세기 I_m의 약 1/5에 해당함을 나타냅니다(I_c = 1/5 I_m).

PISHE 전류의 빛 세기와 빛 프로파일 의존성을 조사하기 위해 다양한 빛 세기와 프로파일에서 PISHE 측정을 수행했습니다. 그림 2a,b는 r₀=1.5mm, σ=0.5mm와 r₀=1mm, σ=0.3mm의 가우시안 프로파일 빛 스팟으로 다양한 빛 세기 하에서 빛 스팟 위치 함수로 PISHE 전류를 보여줍니다. 기호는 실험 데이터, 실선은 식 (2)와 (4)에 따른 이론 계산입니다. 계산에서 그림 1c에서 채택한 동일한 파라미터를 사용했으나 빛 스팟 파라미터만 다릅니다: f₀/q=6.8×10⁻⁶N·m/C, A·L_s=2.8×10⁻⁴m, R_ab=15.5kΩ, I_c=1/5 I_m. 여기서 I_m은 250mW 세기일 때 최대 빛 세기입니다. PISHE 전류 강도가 빛 세기와 함께 증가하며, 250mW 세기에서 더 큰 FWHM(더 큰 σ)을 가진 빛 스팟이 더 큰 PISHE 전류를 유도함을 볼 수 있습니다. 또한 더 큰 FWHM을 가진 빛 스팟의 경우 PISHE 곡선 피크가 더 큰 x 값에서 나타납니다. 여기서 x는 빛 스팟 중심과 두 접점 연결 중점 사이의 거리입니다. 이는 스핀 전류와 결과적 PISHE 전류가 빛 프로파일의 기울기에 비례하기 때문입니다. 다양한 빛 스팟 프로파일에 의해 유도된 PISHE 전류를 더 잘 비교하기 위해 그림 2a,b 결과를 그림 2c에 요약했습니다. 즉, 다양한 빛 스팟 프로파일에 대한 흥분 세기에 따른 PISHE 전류 피크 값 의존성을 그림 2c에 요약했습니다. 기호는 실험 데이터, 실선은 이론 계산 결과입니다. 실험 결과가 이론 시뮬레이션과 매우 잘 일치함을 볼 수 있으며, 이는 모델을 확인합니다.

그림 2c는 세기 증가에 따라 PISHE 전류가 처음에 단조롭게 증가하다 점차 포화됨을 나타냅니다. PISHE 전류의 빛 세기 포화 현상은 높은 세기에서 흡수 포화 존재 때문입니다. 최대 빛 세기가 흡수 포화 세기보다 작을 때 PISHE 전류는 빛 세기와 선형적으로 증가합니다. 최대 빛 세기가 흡수 포화 세기보다 클 때 PISHE 전류는 빛 세기 증가와 함께 포화 경향을 보입니다. 빛 스팟 크기의 PISHE 전류 영향은 빛 스팟 FWHM이 PISHE 전류에 미치는 영향 측면에서 이해할 수 있습니다. 왜냐하면 빛 스팟 크기와 FWHM은 빛 세기에 의해 서로 연관되어 있기 때문입니다. 특정 빛 세기에서 더 큰 빛 스팟 크기는 더 큰 FWHM 값을 가집니다. 특정 빛 세기에서 최대 빛 세기가 흡수 포화 세기보다 작으면, 더 작은 FWHM(더 작은 빛 스팟 크기)을 가진 빛 프로파일이 더 큰 PISHE 전류를 생성할 수 있습니다. 왜냐하면 더 작은 FWHM이 더 큰 스핀 전류를 초래하기 때문입니다; 반면 최대 빛 세기가 흡수 포화 세기보다 크면, 더 작은 FWHM 값을 가진 빛 프로파일이 더 작은 PISHE 전류를 초래합니다. 이는 그림 3에서도 명확히 볼 수 있습니다. 그림 3은 빛 세기 250mW에서 다양한 빛 프로파일 하 빛 스팟 위치 함수로 PISHE 전류를 요약합니다. σ가 0.2에서 0.5mm로 증가함에 따라 PISHE 전류 피크 값이 단조롭게 감소함을 볼 수 있습니다. 이는 흡수 포화 영역에서는 스핀 전류가 없고 결과적으로 PISHE 전류가 생성되지 않기 때문입니다. 따라서 흡수 포화 영역 내의 빛은 PISHE 전류에 어떤 기여도 하지 않습니다. 그림 3 인셋은 다양한 가우시안 빛 프로파일의 빛 세기 분포를 보여줍니다. 파선은 시료의 흡수 포화 세기를 나타냅니다. 파선과 빛 세기 곡선 사이의 교점은 흡수 포화 영역 반경 r_s를 나타냅니다. r₀=1.5, σ=0.5mm일 때 그림자 영역으로 표시된 반경 r_s 원형 영역 내의 빛은 PISHE 전류에 기여하지 않습니다. 250mW 빛 세기에서 더 작은 FWHM을 가진 빛 프로파일이 흡수 불포화 영역에서 더 큰 스핀 전류를 유도하지만, 이 효과는 흡수 포화 영역에서 더 많은 에너지가 낭비되는 것에 의해 압도됩니다. 결과적으로 더 작은 σ(σ=0.2mm) 빛 프로파일이 더 큰 σ(σ=0.3 또는 0.5mm)보다 더 작은 PISHE 값을 생성합니다.

PISHE의 지배적 메커니즘을 조사하기 위해 다양한 온도에서 PISHE 측정을 수행했습니다. 그림 4a는 77, 130, 180, 230K에서 측정된 빛 스팟 위치 함수로 PISHE 전류를 보여줍니다. 레이저 스팟은 r₀=0.7mm, σ=0.2mm 가우시안 프로파일, 세기 250mW입니다. 사각형은 실험 데이터, 실선은 식 (2)와 (4) 피팅 결과입니다. 모든 온도에서 실험 데이터가 모델로 잘 피팅됨을 볼 수 있습니다. 피팅으로 스핀 횡방향 힘 f₀/q(그림 4b)와 다양한 온도에서 전자 확산 길이 A·L_s를 얻을 수 있습니다. 그림 4b의 파선은 눈금용입니다. 파라미터 A 값을 결정하기 위해 A·L_s의 온도 의존성을 이전 전자 확산 길이 L_s의 온도 의존성 결과[42]와 비교해야 합니다. 우리의 A·L_s 값을 [42]에서 얻은 L_s 값에 피팅하여 상수 A를 1.65×10²로 결정할 수 있습니다. 그림 4c에 표시된 이전 결과와의 매우 좋은 일치는 우리 방법을 검증합니다. 전자 확산 길이가 온도 증가와 함께 감소함을 볼 수 있으며, 이는 주로 포논에 의한 캐리어 산란 강화에 기인합니다[43].

놀랍게도 2DEG의 스핀 횡방향 힘 f₀/q가 온도 증가와 함께 단조롭게 증가합니다. 이는 Au/InP 하이브리드 구조에서 관찰된 PISHE의 온도 변화 추세와 반대입니다[44]. 이 예상치 못한 현상은 PISHE 메커니즘과 관련될 수 있습니다. 반도체 2DEG에서 PISHE에는 고유와 외재적 두 메커니즘이 있습니다. 전자는 주로 밴드 구조에서 기인하고, 후자는 불순물에서 SOC 효과로 인한 업/다운 스핀에 대한 비대칭 산란에서 기원합니다[7,16]. C₂ᵥ 점군 대칭의 반도체 2DEG에서 고유 메커니즘에 의한 스핀 횡방향 힘은 f₀ = (4m*²τ_sD/ħ²)(α²+β²)로 표현됩니다[20,40]. 여기서 ħ는 디랙 상수, τ_s는 스핀 이완 시간, D는 스핀 확산 계수, α(또는 β)는 라슈바(또는 드레셀하우스) 상수로 라슈바(또는 드레셀하우스) SOC 강도에 비례합니다. GaAs/AlGaAs 2DEG에서 스핀 이완 시간 τ_s는 T⁻¹에 비례합니다[45]. 여기서 T는 온도입니다. 변조 도핑 2DEG에서 라슈바 SOC 강도는 드레셀하우스보다 훨씬 큽니다(다음 논의 참조); 결과적으로 라슈바 상수 α는 드레셀하우스 상수 β보다 훨씬 큽니다. 스핀 확산 계수 D는 T⁻²에 비례합니다[46,47]. α의 온도 의존성은 a+bT로 표현되며, a와 b는 상수이고 a는 b보다 약 2자릿수 더 큽니다[48]. 따라서 τ_s, D, α의 온도 의존성을 고려하면 f₀ ∝ T⁻³이 되어 고유 메커니즘에 의한 스핀 횡방향 힘이 온도 증가와 함께 감소해야 함을 시사합니다. 외재적 메커니즘의 경우 스핀 횡방향 힘은 이온화 불순물 농도, 특히 외재적 사이드-점프 산란에 의존합니다[49,50]. 우리 시료에 배경 도핑이 있고, 불순물 이온화가 온도 증가와 함께 증가하므로 온도 증가와 함께 스핀 업/다운 전자에 대한 비대칭 산란이 강해져 스핀 횡방향 힘이 증가합니다. 우리 실험에서 관찰된 스핀 횡방향 힘 f₀가 온도 증가와 함께 증가하므로, PISHE가 성장 공정 중 도입된 배경 도핑에 의한 불순물을 주요로 하는 외재적 메커니즘에 의해 지배됨을 추론할 수 있습니다.

PISHE가 실제로 외재적 메커니즘에 의해 지배됨을 추가 확인하기 위해 다양한 결정 방향을 따라 수집된 PISHE 전류의 공간 분포를 측정했습니다. 그림 5a,b는 각각 [110]과 [100] 결정 방향을 따라 수집된 PISHE 전류의 공간 분포를 보여줍니다. 서로 다른 결정 방향에서의 캐리어 이동도와 캐리어 밀도 영향을 제거하기 위해, 접점이 각각 [110]과 [100] 방향일 때 0.3V 바이어스 하 해당 광전류 J₀로 PISHE 전류를 정규화했습니다. 측정은 60mW 세기 상온에서 수행되었습니다. 빛 스팟 반경 r₀는 1.0mm, σ는 0.3mm입니다. 기호는 실험 데이터, 실선은 식 (2)와 (4) 피팅 결과입니다. [110]과 [100] 결정 방향을 따라 수집된 정규화된 PISHE 전류 사이에 뚜렷한 차이가 없음을 볼 수 있습니다.

고유 메커니즘의 경우 특정 결정 방향을 따른 PISHE 전류는 그 방향의 스핀 분열과 관련됩니다. GaAs/AlGaAs 2DEG의 이방성 스핀 분열 지식을 얻기 위해 상온에서 CPGE 전류의 결정 방향 의존성을 측정했습니다. 즉, 두 접점이 [110](또는 [100]) 방향이고 입사광 평면이 [1-10](또는 [010]) 방향에 있을 때 CPGE 전류를 측정했습니다. 측정 결과는 그림 6에서 사각형(또는 원)으로 표시됩니다. CPGE 전류 측정 시 빛 스팟은 두 접점 연결 중점에 위치하며, 이곳에서는 [20]에 따라 PISHE가 0입니다. CPGE 전류도 서로 다른 결정 방향에서의 캐리어 이동도와 캐리어 밀도 영향을 제거하기 위해 0.3V 바이어스 하 해당 광전류로 정규화했습니다[51]. 그런 다음 다음 식을 사용하여 정규화된 각도 의존 CPGE 전류를 피팅하여 서로 다른 결정 방향을 따른 상대적 SOC 강도를 얻었습니다[21,27]:

수식 (5)는 원문 참조

여기서 θ는 입사각, n은 GaAs 굴절률, A_λ는 SOC 상수에 비례하는 상수입니다. 피팅 결과는 그림 6의 실선으로 표시됩니다. 입사광 평면이 [1-10] 방향에 있고 CPGE 전류가 [110] 방향을 따라 수집될 때, 해당 A 파라미터인 A_[110]은 라슈바와 드레셀하우스 SOC의 합에 비례합니다. 즉, A_[110] ∝ α+β[51-53]. 입사광 평면이 [010] 방향에 있고 CPGE 전류가 [100] 방향을 따라 수집될 때, 해당 A 파라미터인 A_[100]은 라슈바 SOC에 비례합니다. 즉, A_[100] ∝ α[51-53]. 따라서 A_[110]/A_[100] 비율로 라슈바 대 드레셀하우스 SOC 상대 비율, 즉 β/α = A_[110]/A_[100] - 1 = 0.32를 얻을 수 있으며, 이는 GaAs/AlGaAs 2DEG의 스핀 분열에 결정 이방성이 있음을 나타냅니다[21]. 따라서 2DEG에 대한 고유 기여 PISHE는 결정축에 민감해야 합니다[16]. 구체적으로 식 (2)와 (4)에 따르면, 접점이 [110](또는 [100]) 방향일 때 측정된 PISHE 전류는 PISHE 전류가 소용돌이 전류이므로 [110](또는 [100]) 방향과 거의 평행하게 흐르는 역스핀 홀 전류에 의해 지배됩니다. 고유 메커니즘이 2DEG에서 지배적 역할을 한다면 이 두 방향을 따라 수집된 PISHE 전류는 달라야 합니다. 그러나 뚜렷한 차이가 관찰되지 않으며, 이는 GaAs/AlGaAs 2DEG에서 외재적 메커니즘이 지배적임을 시사합니다.

결론

결론적으로, 77-300K 온도 범위에서 GaAs/AlGaAs 2DEG의 PISHE 전류를 조사했습니다. PISHE 전류를 이론적 모델에 피팅하여 스핀 횡방향 힘을 결정했습니다. PISHE의 빛 세기와 빛 스팟 프로파일 의존성을 조사했으며, 이는 이론적 모델과 잘 일치합니다. PISHE 전류의 온도 변화는 PISHE가 외재적 메커니즘에 의해 지배됨을 시사하며, 이는 샘플 결정 방향에 대한 PISHE 전류의 약한 의존성으로 추가 확인되었습니다.

약어

2DEG:

2차원 전자 가스

CPGE:

원형 광전갈바닉 효과

EMF:

원형 기전력

FWHM:

반값 전폭

ISHE:

역스핀 홀 효과

MBE:

분자 빔 에피택시

PISHE:

광유도 역스핀 홀 효과

SHE:

스핀 홀 효과

SOC:

스핀-궤도 결합