Investigación de picos de separación de espín en enfoque electrónico transversal a través de temperaturas

Resumen

Informamos sobre experimentos de enfoque electrónico transversal (TEF) realizados en un gas bidimensional de electrones (2DEG) de GaAs tipo n. En un campo magnético transversal moderado (B_⊥), los electrones son dirigidos desde un inyector de hilo cuántico a un detector, produciendo una serie de picos de enfoque periódicos en B_⊥. Sorprendentemente, los picos impares se dividen en dos sub-picos, cada uno reflejando una rama de espín distinta emitida desde el inyector. La evolución con la temperatura muestra que la separación es nítida a las temperaturas más bajas, pero se difumina gradualmente a medida que la energía térmica (k_BT) se acerca al doble de la energía de brecha de espín (2ΔE), confirmando que la polarización de espín impulsada por intercambio domina a baja temperatura.

Introducción

El transporte de electrones en sistemas cuasi-unidimensionales (1D), realizados en el 2DEG de heteroestructuras GaAs/AlGaAs, ha servido durante mucho tiempo como referencia para estudiar tanto la mecánica cuántica no interactiva como fenómenos de muchos cuerpos. En tales sistemas la conductancia se cuantiza en pasos de n·(2e²/h) (n=1,2,3,…), sin embargo, experimentos recientes han descubierto fases ricas a baja densidad, incluyendo cristalización de Wigner incipiente. Una pregunta central abierta sigue siendo el origen de la llamada anomalía 0.7—una meseta de conductancia cerca de 0.7·(2e²/h)—cuya dependencia de temperatura y evolución bajo campos magnéticos en el plano sugieren un origen relacionado con el espín. Sondear directamente la polarización de espín en un canal 1D es esencial para resolver este debate. El enfoque electrónico transversal (TEF) ofrece una sonda sensible y resuelta en espín: la separación de espín del primer pico de enfoque refleja la polarización del inyector impulsada por intercambio, como se demostró en GaAs tipo p y InSb tipo n. En trabajos previos mostramos que electrones 1D polarizados en espín y espacialmente separados dan lugar a una separación clara en el primer pico de enfoque en n-GaAs. Aquí extendemos este enfoque estudiando cómo evoluciona la separación con la temperatura, proporcionando información sobre la dinámica subyacente de la brecha de espín.

Método

Los dispositivos se fabricaron a partir de un 2DEG de alta movilidad en la interfaz GaAs/Al_0.33Ga_0.67As. A 1.5 K, la densidad y movilidad de electrones fueron 1.80 × 10¹¹ cm⁻² y 2.17 × 10⁶ cm² V⁻¹ s⁻¹, respectivamente, dando un camino libre medio superior a 10 µm—muy superior a las dimensiones del dispositivo. Las mediciones se realizaron en un refrigerador de dilución criogénico, con temperatura base de red de 20 mK (temperatura de electrones ≈ 70 mK). Datos dependientes de temperatura se recogieron de 20 mK a 1.8 K usando una técnica estándar de lock-in.

Resultados y discusión

La Figura 1a ilustra la disposición experimental y un espectro de enfoque típico. El inyector y detector están separados por 1.5 µm, cada uno definido por un hilo cuántico de 500 nm de ancho y 800 nm de largo. El control de compuerta independiente suprime la diafonía, asegurando que los picos observados surjan únicamente de TEF (Fig. 1b). El primer pico de enfoque muestra una separación pronunciada en sub-picos I y II; el segundo pico permanece sin separar. La periodicidad de los picos coincide con la condición semiclásica de órbita ciclotrónica:

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

(1) donde L es la separación inyector-detector a lo largo de la diagonal. El espaciado observado de 60 mT concuerda bien con el valor calculado, confirmando el cuadro semiclásico. La separación del primer pico se atribuye a la interacción espín-órbita (SOI). En una SOI tipo Rashba, las dos especies de espín siguen radios ciclotrónicos diferentes, produciendo dos tiempos de llegada distintos al detector (Fig. 2a). Para el segundo pico, un proceso de dispersión en el borde invierte el momento del electrón de espín arriba preservando su espín, causando que las dos especies de espín se recombinen en un solo pico (Fig. 2b). Estos mecanismos se ilustran tanto en coordenadas como en espacio-k (Figs. 2c,d). La dependencia de temperatura (Fig. 3a–c) revela que la separación es nítida a 20 mK pero se difumina gradualmente al subir la temperatura. Para conductancia del inyector G_i = G₀, los dos sub-picos persisten hasta ~1.2 K antes de fusionarse a 1.8 K. A G_i = 1.8 G₀ la separación es menos pronunciada, con el sub-pico I dominando y disminuyendo en amplitud con la temperatura. En contraste, el caso G_i = 0.5 G₀ muestra solo un pico único, ensanchado y simétrico a temperaturas más altas, sugiriendo población térmica de ambas sub-bandas de espín. Para cuantificar la evolución del pico, ajustamos cada traza de enfoque con una suma de dos lorentzianas:

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

(2) donde A_i es la amplitud, γ_i el ancho a media altura (FWHM), y B_i el centro del pico. Los anchos ajustados aumentan monótonamente con la temperatura, indicando ensanchamiento térmico. La polarización de espín extraída p = |A₁ − A₂|/(A₁ + A₂) muestra una dependencia débil de la temperatura para G_i = G₀ (≈ 0.6 %) pero decae exponencialmente para G_i = 1.8 G₀:

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

(3) produciendo ΔE ≈ 0.041 meV (≈ 0.5 K). Esto se alinea con predicciones teóricas de que la separación debería persistir hasta k_BT ≈ 2ΔE (~1 K), consistente con nuestra observación de fusión de picos cerca de 1.2 K.

Conclusión

Hemos demostrado que la separación resuelta en espín del primer pico de enfoque electrónico transversal en n-GaAs es robusta desde 20 mK hasta ~1.2 K. Por encima de esta temperatura la separación se difumina y el pico se vuelve cada vez más simétrico, indicativo de equilibración térmica entre las dos ramas de espín. Estos hallazgos proporcionan evidencia directa de polarización de espín impulsada por intercambio en el inyector y establecen el TEF como una sonda potente y dependiente de temperatura de la física de espín en sistemas de baja dimensionalidad.

Financiación: Este trabajo fue apoyado por el Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), Reino Unido.