Research Abstract


Spin–orbit induced electronic spin separation in semiconductor nanostructures

2012年9月25日 Nature Communications 3 : 1082 doi: 10.1038/ncomms2080

シュテルンとゲルラッハにより示されたスピン分裂の量子化は、現代物理における最も重要な実験の1つである。彼らの発見は、スピンに基づく現代の科学技術発展の先駆であった。荷電粒子の電気的なスピン分離は、スピントロニクスにおいて必要不可欠であるが、不均一磁場においては、磁場勾配が不十分で制御できないだけでなく、ローレンツ力により軌道が曲げられるため、荷電粒子のスピン状態を分離することは難しかった。今回我々は、半導体ナノ構造における電子スピンの分離を実証した。外部磁場を印加すると必然的に生じるローレンツ力を回避するため、我々は、InGaAsベースのヘテロ構造において生じるラシュバスピン軌道相互作用に起因した不均一有効磁場を利用した。シュテルン・ゲルラッハスピン分離実験に着想を得たメカニズムを、量子ポイントコンタクトと共に用いることで、108T m-1の有効磁場勾配が得られ、その結果、高いスピン偏極率のスピン流が生み出された。

好田 誠1,2, 中村 秀司3, 西原 禎孝3, 小林 研介3,4, 小野 輝男3, 大江 純一郎5, 都倉 康弘6,7, 峰野 太喜1 & 新田 淳作1

  1. 東北大学大学院 工学研究科
  2. 科学技術振興機構(JST)PRESTO
  3. 京都大学 化学研究所
  4. 大阪大学大学院 理学研究科・物理学専攻
  5. 東邦大学 理学部
  6. NTT物性科学基礎研究所
  7. 筑波大学大学院 数理物質科学研究科
The demonstration of quantized spin splitting by Stern and Gerlach is one of the most important experiments in modern physics. Their discovery was the precursor of recent developments in spin-based technologies. Although electrical spin separation of charged particles is fundamental in spintronics, in non-uniform magnetic fields it has been difficult to separate the spin states of charged particles due to the Lorentz force, as well as to the insufficient and uncontrollable field gradients. Here we demonstrate electronic spin separation in a semiconductor nanostructure. To avoid the Lorentz force, which is inevitably induced when an external magnetic field is applied, we utilized the effective non-uniform magnetic field which originates from the Rashba spin–orbit interaction in an InGaAs-based heterostructure. Using a Stern–Gerlach-inspired mechanism, together with a quantum point contact, we obtained field gradients of 108 T m−1 resulting in a highly polarized spin current.