量子電子物性研究部1 PRESTO 科学技術振興機構2 CREST 科学技術振興機構3
半導体中の電子スピンの回転を電場により制御し、スピンの回転により電子波の干渉が変化することを実験的に確認した。スピンは電荷とともに電子のもつ制御可能な物理量であり、通常の半導体デバイスでは電子の電荷を制御するが、本研究では電子のスピンに注目している。スピンは一般的には磁場により制御してきたが、本研究では、電子の電荷を制御するために用いているゲート電圧（電場）によるスピン制御を確認し、スピンを用いた新たなデバイスの可能性を示した。
電子スピンを電場により制御する時に重要なのがRashbaスピン軌道相互作用であり、この効果により、電子スピンの回転が電場により制御できる。実験では、半導体を図1(a)のように正方形ループ列に微細加工し、その正方形ループを進む電子波の干渉を調べる
[1]。電子波は、右回りにも左回りにも進んで、元の位置に戻って来て干渉する。元の位置に戻って来た時の右回り、左回りの電子波におけるスピンの回転の差により、電子波の干渉は変化する。この干渉の変化は電気伝導率（σxx）の変化として観測できる。この電気伝導率（σxx）の磁場（B）依存性は振動し、この振動をAl’tshuler-Aronov-Spivak（AAS）振動という。図1(b)に試料の模式図を示しているが、試料はゲート電極に覆われており、AAS振動の振幅のゲート電圧（Vg）依存性を調べることができ、電子スピンの回転が電場により変化することが分かる。図2のようにゲート電圧（Vg）が増大すると、零磁場（B=0）でのAAS振動の振幅が負から正へ変化しており、電子のスピン干渉が起きていることを示している。このように本研究の成果は、電場により電子スピンの回転を制御し、スピンの回転による電子波の干渉が変化したことを実験的に確かめた、世界的にも他に例のない研究成果である。
[1] T. Koga, J. Nitta, M. van Veenhuizen, Phy. Rev. B 70,
161302(R) (2004).
現在の所属 北海道大学大学院情報科学研究科* 東北大学大学院工学研究科‡
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図１(a)スピン干渉計の電子顕微鏡写真。白い部分が電子の通り道で、典型的な道が図中の四角形である。(b)スピン干渉計全体の模式図。 図２スピン干渉計のAAS振動のゲート電圧（Vg）依存性。零磁場（B=0）に注目すると、ゲート電圧（Vg）の増大により、電気伝導率（σxx）は負から正に変化しており、AAS振動の様子が変化している。 |
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