Penelitian Puncak Terbelok Spin dalam Fokus Elektron Transversel Melintasi Suhu

Latar Belakang

Transportasi elektron dalam sistem quasi-satu dimensi (1D), yang direalisikan dalam 2DEG heterostruktur GaAs/AlGaAs, telah lama berfungsi sebagai patokan untuk mempelajari mekanika kuantum non-interaktif dan fenomena banyak-tubuh. Dalam sistem seperti ini konduktivitas kuantisasi dalam langkah n·(2e²/h) (n=1,2,3,…), namun eksperimen terbaru telah mengungkapkan fasa rendah-densitas yang kaya, termasuk kristalisasi Wigner yang muncul [6,7,10]. Pertanyaan terbuka yang tetap adalah origem dari anomali 0.7 yang disebut—plat konduktivitas di dekat 0.7·(2e²/h)—yang ketergantungan suhu dan evolusinya di bawah medan magnet dalam bidang datar menunjukkan asal yang berhubungan dengan spin [4,11–15]. Oleh karena itu, menguji secara langsung polarisasi spin dalam saluran 1D sangat penting untuk menyelesaikan debat ini. Fokus elektron transversel (TEF) menawarkan sond sensitif yang teresolusi spin: pelingkahan puncak pertama mencerminkan polarisasi spin yang didorong interaksi tukar injektor, seperti yang telah ditunjukkan dalam GaAs tipe-p [18,19] dan InSb tipe-n [20]. Dalam pekerjaan sebelumnya kami telah menunjukkan bahwa elektron 1D yang terpolarisasi spin dan terpencil spasial memberikan pelingkahan yang jelas pada puncak pertama dalam n-GaAs [21]. Di sini, kami memperluas pendekatan ini dengan mempelajari bagaimana pelingkahan berkembang dengan suhu, memberikan wawasan tentang dinamika celah spin yang mendasarinya.

Metode

Perangkat dibuat dari 2DEG mobilitas tinggi pada antarmuka GaAs/Al_0.33Ga_0.67As. Pada 1,5 K, densitas elektron dan mobilitas adalah 1,80 × 10¹¹ cm⁻² dan 2,17 × 10⁶ cm² V⁻¹ s⁻¹, masing-masing, menghasilkan jalur bebas rata-rata melebihi 10 µm—sangat lebih besar dari dimensi perangkat. Pengukuran dilakukan dalam pendingin pengencer dilusi bebas kriogen, dengan suhu dasar jaring 20 mK (suhu elektron ≈ 70 mK). Data bergantung suhu dikumpulkan dari 20 mK hingga 1,8 K menggunakan teknik lock-in standar.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1a menggambarkan tata letak eksperimental dan spektrum fokus tipikal. Injektor dan detektor dipisahkan oleh 1,5 µm, masing-masing didefinisikan oleh kawat kuantum lebar 500 nm dan panjang 800 nm. Kontrol gate independen menekan crosstalk, memastikan bahwa puncak yang diamati hanya berasal dari TEF (Gambar 1b). Puncak fokus pertama menunjukkan pelingkahan yang mencolok ke sub-puncak I dan II; puncak kedua tidak terbelok. Periodisitas puncak cocok dengan kondisi orbit siklonik setengah klasik

\[\displaystyle B_{\text{focus}}=\frac{\sqrt{2}\,\hbar k_{F}}{eL}\]

(1) di mana L adalah pemisahan injektor-detektor di sepanjang diagonal. Jarak 60 mT yang diamati setuju dengan baik dengan nilai yang dihitung, mengonfirmasi gambar setengah klasik. Pelingkahan puncak pertama diatribusikan pada interaksi spin-orbit (SOI). Dalam SOI tipe Rashba, dua spesies spin mengikuti radius siklon yang berbeda, menghasilkan dua waktu kedatangan yang berbeda pada detektor (Gambar 2a). Untuk puncak kedua, proses pembuangan batas membalikkan momentum elektron spin-up sambil mempertahankan spinnya, menyebabkan dua spesies spin bergabung menjadi satu puncak (Gambar 2b). Mekanisme ini diilustrasikan dalam koordinat dan k-space (Gambar 2c,d). Ketergantungan suhu (Gambar 3a–c) mengungkapkan bahwa pelingkahan tajam pada 20 mK namun secara bertahap mengabur saat suhu naik. Untuk konduktivitas injektor G_i = G₀, dua sub-puncak bertahan hingga ~1,2 K sebelum bergabung pada 1,8 K. Pada G_i = 1.8 G₀ pelingkahan kurang mencolok, dengan sub-puncak I mendominasi dan berkurang amplitudo dengan suhu. Sebaliknya, kasus G_i = 0.5 G₀ hanya menunjukkan satu puncak, yang melebar dan simetris pada suhu lebih tinggi, yang menunjukkan populasi termal dari kedua sub-band spin. Untuk mengukur evolusi puncak, kami mencocokkan setiap jejak fokus dengan jumlah dua Lorentzians:

\[\displaystyle A(B)=\sum_{i=1}^{2}A_{i}\,\frac{\gamma_{i}^{2}}{\gamma_{i}^{2}+(B-B_{i})^{2}}\]

(2) di mana A_i adalah amplitudo, γ_i lebar paruh maksimum (FWHM), dan B_i pusat puncak. Lebar yang dipasang meningkat monotonik dengan suhu, menunjukkan penglebaran termal. Polarisasi spin yang diekstraksi p = |A₁ − A₂|/(A₁ + A₂) menunjukkan ketergantungan lemah pada suhu untuk G_i = G₀ (≈ 0,6 %) tetapi memudar eksponensial untuk G_i = 1.8 G₀:

\[\displaystyle p=\alpha\,e^{-k_{B}T/\Delta E}+c\]

(3) yielding ΔE ≈ 0,041 meV (≈ 0,5 K). Ini selaras dengan prediksi teoretis bahwa pelingkahan harus bertahan hingga k_BT ≈ 2ΔE (~1 K), sesuai dengan pengamatan kami penggabungan puncak di dekat 1,2 K.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan bahwa pelingkahan puncak fokus elektron transversel pertama yang teresolusi spin dalam n-GaAs kuat dari 20 mK hingga ~1,2 K. Di atas suhu ini pelingkahan menyelar, dan puncak menjadi semakin simetris, yang menunjukkan ekuilibrasi termal antara dua cabang spin. Temuan ini memberikan bukti langsung dari polarisasi spin yang didorong interaksi tukar di injektor dan menetapkan TEF sebagai sond yang kuat, bergantung pada suhu, untuk fisika spin dalam sistem berdimensi rendah.

Dana: Penelitian ini didukung oleh Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), Inggris.