Control Fotónico del Efecto Hall Spin en GaAs/AlGaAs 2DEG: Evidencia de Respuesta Inversa Hall Spin Extrínseca

Resumen

El efecto Hall spin inverso inducido por luz polarizada circularmente se ha observado en gas electrónico bidimensional (2DEG) GaAs/AlGaAs. La fuerza transversal spin ha sido determinada ajustando corriente efecto Hall spin inverso foto-inducido (PISHE) a modelo teórico. La corriente PISHE también se midió a diferentes potencias luz y perfiles mancha luz, y todos resultados medición concuerdan bien con cálculos teóricos. También medimos corriente PISHE a diferentes temperaturas (77-300 K). La dependencia temperatura de corriente PISHE indica mecanismo extrínseco juega papel dominante, confirmado además por débil dependencia corriente PISHE en orientación cristalina muestra.

Antecedentes

La espintrónica ha atraído mucha atención por aplicaciones potenciales en tecnología información y revelar preguntas fundamentales sobre física spin electrón en materia condensada [1-4]. Efecto Hall spin (SHE) y su recíproco Onsager, efecto Hall spin inverso (ISHE), juegan papel significativo en espintrónica ya que proporcionan método eléctrico convertir corriente carga en corriente spin y viceversa, via acoplamiento spin-órbita (SOC) [2, 5-8]. SHE e ISHE se han estudiado ampliamente en filmes metálicos con elementos pesados, como Pt, Ta, Py, IrMn, y aislantes topológicos emergentes, como Bi₂Se₃ y SnTe, debido a su fuerte SOC [9-14]. Estos dos efectos también observados en semiconductores, como GaAs, ZnO, Si, Ge, GaN/AlGaN, y gas electrónico 2D GaAs/AlGaAs [15-20].

Conversión spin-carga en semiconductores es tema importante, ya que abre vía integrar espintrónica con electrónica [5]. ISHE foto-inducido (PISHE) emerge recientemente como herramienta experimental efectiva investigar ISHE en semiconductores, que explota luz polarizada circularmente con distribución gaussiana para introducir corriente spin en semiconductores y luego usa ISHE generar corriente carga [2, 19-22]. Corriente PISHE observable a temperatura ambiente, y ofrece forma conveniente investigar ISHE semiconductores sin introducir campo magnético y elementos ferromagnéticos [20]. Además, PISHE allana camino diseñar nuevos dispositivos spin-fotónicos [22]. Corriente PISHE observada en GaN/AlGaN, GaAs/AlGaAs, y MgZnO/ZnO heteroestructuras [2, 19, 20]. Sin embargo, dependencia corriente PISHE en potencia luz y perfil luz aún desconocida.

Hay dos mecanismos ISHE: intrínseco y extrínseco. Mecanismo intrínseco depende solo estructura banda material perfectamente ordenado [7, 23, 24], originando en SOC Rashba [25-27] o Dresselhaus [26], mientras mecanismo extrínseco se refiere a dispersión Mott-asimétrica o side-jump de impurezas en sistema acoplado spin-órbita [16, 24, 28, 29]. Aunque hay muchos estudios investigando mecanismo intrínseco o extrínseco ISHE, la mayoría son trabajos teóricos, y muy pocos trabajos experimentales enfocados en este tema [16, 27, 30-32], porque es muy difícil distinguir estos dos mecanismos experimentalmente.

En este paper, investigamos corriente PISHE en gas electrónico 2D (2DEG) GaAs/AlGaAs. Se encuentra que corriente PISHE aumenta con temperatura creciente, indicando corriente PISHE dominada principalmente por mecanismo extrínseco. Esta inferencia confirmada further por débil dependencia corriente PISHE en orientación cristalina muestra. Además, también investigamos dependencia corriente PISHE en potencia luz y perfil luz, que concuerda muy bien con modelo teórico.

Métodos

Experimento realizado en muestra 2DEG GaAs/AlGaAs (001) dopada modulación crecida por epitaxia haz molecular (MBE) sobre sustrato GaAs semi-aislante. Densidad electrón y movilidad Hall muestra medidos 5.18 × 10¹¹ cm⁻² y 3.97 × 10³ cm² V⁻¹ s⁻¹ a temperatura ambiente, respectivamente. Movilidad 2DEG un poco baja debido dopaje fondo, orden 10¹⁵ o 10¹⁶ cm⁻³, en muestra introducido durante crecimiento. Muestra se cleaveó entlang [110] y [1\bar{1}0] dirección en cuadrado 10 × 10 mm². Dos pares contactos óhmicos con distancia 8 mm entlang [110] y [100] direcciones, respectivamente, hechos por deposición indio y recocidos ~420 °C en atmósfera nitrógeno.

Láser estado sólido bombeado diodo longitud onda 1064 nm usado como fuente radiación. Haz láser pasa por chopper, polarizador, y placa cuarto onda y finalmente ilumina muestra verticalmente. Aquí, polarizador y placa cuarto onda rotatoria usados cambiar helicidad luz P_c = sin2φ de zurda (σ⁻, P_c = -1) a derecha (σ⁺, P_c = +1) continuamente, donde φ ángulo entre dirección polarización luz incidente y eje óptico placa cuarto onda. Mancha luz en muestra tiene perfil gaussiano. Corriente recolectada entre dos contactos entlang [100] (o [110]) dirección muestra por preamplificador y amplificador lock-in con frecuencia referencia 229 Hz desde chopper. Figura 1a ilustra montaje usado medir corriente PISHE.

Método obtener corriente PISHE y PISHE medido a 300 K. a Ilustración movimiento electrones polarizados spin bajo iluminación normal polarización circular izquierda (σ⁺) o derecha (σ⁻). Flechas rojas denotan flujo electrones, flechas azules indican dirección spin electrones, flechas negras muestran fuerza transversal spin actuando electrones. b Geometría usada medir corriente PISHE. c Fotocorriente medida a 300 K función ángulo fase φ bajo incidencia normal cuando mancha luz ilustrada punto A. Línea sólida (negra) curva ajuste usando Ec. (1), línea discontinua (roja) representa corriente PISHE, líneas punteadas azul y verde representan componentes L₁ y L₂. Línea punto-guion indica corriente fondo J₁. d Corriente PISHE función ubicaciones mancha luz medida 300 K

Para mediciones dependientes potencia, potencia luz irradiada muestra cambió 250 a 40 mW usando atenuadores. Para cambiar perfil mancha luz en muestra, lente óptico con diferentes distancias focales adoptado. En mediciones dependientes temperatura, muestra montada en criostato óptico, permite variación temperatura 77 a 300 K.

Para obtener ratio relativo Rashba a Dresselhaus SOC, medimos fotocorriente inducida por efecto fotogalvánico circular (CPGE) para diferentes direcciones cristalográficas, i.e., corriente CPGE recolectada entlang [110] y [100] dirección a través contactos, respectivamente, con plano incidencia luz perpendicular a conexión dos contactos. Para medición CPGE, configuración experimental similar a usada en medición PISHE adoptada excepto luz irradia oblicuamente en punto medio conexión dos contactos entlang [110] o [100] direcciones, y ángulo incidencia varía -40 a 40°. Corriente CPGE en cierto ángulo incidencia extraída ajustando fotocorriente dependiente estado polarización luz J recolectada entlang dos contactos a siguiente ecuación [33]: J = J_CPGE sin2φ + L₁₁ sin4φ + L₂₂ cos4φ + J₁₁. Aquí, J_CPGE corriente CPGE, L₁₁ y L₂₂ fotocorriente inducida luz polarizada linealmente, J₁₁ corriente fondo originada efecto fotovoltaico o Dember [33].

Resultados y Discusión

Bajo iluminación luz polarizada circularmente con perfil gaussiano, portadores polarizados spin con distribución gaussiana en espacio generados en área absorción no saturada. Como resultado, corriente spin difusa aparece fluyendo dirección radial. Luego, debido efecto ISHE, portadores polarizados spin experimentan "fuerza transversal spin" dirección tangencial, llevando corriente carga transversal, i.e., corriente vórtice (llamada corriente PISHE), en dirección axial [8, 20], como muestra Fig. 1a. Al cambiar estado polarización luz de polarización circular izquierda (σ⁺) a derecha (σ⁻), polarización spin electrones cambia spin up a spin down, llevando reversión fuerza transversal spin y corriente PISHE. Al rotar placa cuarto onda 0 a 180°, i.e., ángulo φ cambia 0 a 180°, estado polarización luz cambia vertical lineal (0°), a circular izquierda (45°), vertical lineal (90°), circular derecha (135°), y de nuevo vertical lineal (180°) secuencialmente, como muestra parte superior Fig. 1c. Por tanto, al cambiar ángulo φ 45 a 135°, PISHE se revierte, indicando PISHE proporcional sin2φ. Cabe notar que, en ángulo φ 0, 90, 180°, luz linealmente polarizada. Luz linealmente polarizada también induce fotocorriente debido efecto alineación momento óptico [34], llamado L₁, o debido absorción óptica anisotrópica [35, 36], llamado L₂. Corrientes L₁ y L₂ inducidas luz linealmente polarizada proporcionales sin4φ y cos4φ, respectivamente. Además, fotocorriente fondo J₁ originada efecto fotovoltaico o Dember también presente, independiente estado polarización luz. Así, según diferente dependencia ángulo φ, podemos extraer corriente PISHE ajustando fotocorriente medida experimentalmente dependiente estado polarización luz J a fórmula siguiente [8, 33]:

donde J_PISHE corriente PISHE excitada luz polarización circular izquierda, L₁ y L₂ fotocorriente inducida luz polarizada linealmente, J₁ corriente fondo [19]. Debe notarse término L₂ incluido en ecuación ajuste, i.e., Ec. (1), debido gran anisotropía óptica presente muestra. Anisotropía óptica podría inducirse por estructuras interfaz anisotrópicas [37], segregación átomos [38], o estrés residual [39].

Para obtener distribución espacial PISHE, barrimos mancha láser izquierda a derecha lado dos contactos entlang bisectriz perpendicular [ver Fig.1a]. En cada posición mancha, rotamos placa cuarto onda 0 a 360° y obtenemos corriente PISHE ajustando Ec. (1) a fotocorriente medida experimentalmente dependiente estado polarización luz J. Figura 1b muestra resultado típico fotocorriente medida función ángulo fase φ, cuando mancha láser fijada x = -0.5 mm, i.e., punto A [ver Fig. 1a]. Fotocorriente medida 300 K y recolectada entlang dos contactos entlang [110] dirección. Mancha láser en muestra diámetro ~1.4 mm con perfil gaussiano y potencia 250 mW. Círculos Fig. 1b datos experimentales, línea sólida resultado ajuste según Ec. (1). Se ve fotocorriente medida experimentalmente fluctúa periódicamente rotando placa cuarto onda. Esto porque fotocorriente suma corriente PISHE, fotocorriente inducida luz polarizada linealmente y corriente fondo, y muestran diferente dependencia ángulo φ. Línea discontinua indica corriente PISHE, línea punto-guion denota corriente fondo. Líneas punteadas azul y verde representan componentes L₁ y L₂ inducidos luz polarizada linealmente, respectivamente. Uno ve corriente PISHE mucho menor que fotocorriente inducida luz polarizada linealmente.

Corriente PISHE obtenida función mancha mostrada Fig. 1c. Se ve que, al mover mancha láser izquierda a derecha dos contactos, corriente PISHE invierte dirección. Cuando mancha láser enfocada punto medio dos contactos, corriente PISHE casi cero. Este fenómeno explicable cuantitativamente por modelo corriente vórtice inducido efecto Hall spin inverso foto-inducido [20]. Específicamente, bajo radiación láser con perfil gaussiano G(r) = (1/√(2π)σ) exp(-r²/(2σ²)), corriente spin fluyendo dirección radial inducida, expresable j_r = τ_s D ∇_r G(r). Aquí, D coeficiente difusión spin, τ_s tiempo relajación spin, r dirección radial, σ varianza distribución relacionada ancho medio máximo (FWHM) intensidad luz. Debido efecto ISHE, portadores polarizados spin experimentan fuerza transversal spin f(r) ∝ j_r × \hat{z} [20, 40], expresable f(r) = -f₀ r/σ³ exp(-r²/(2σ²)). Aquí, f₀ constante fuerza transversal spin asociada SOC sistema material. Campo eléctrico vórtice \vec{E} determinado por fuerza electromotriz circular (EMF), escribible ε(r₀) = (2π/q) ∫_0^{r₀} f(r) r dr, a través ∮ \vec{E}(r₀)·d\vec{l} = ε(r₀). Aquí, r₀ radio mancha luz, bucle integral entlang perímetro mancha luz. Por tanto, tenemos

Cabe notar pequeña diferencia entre Ec. (2) y reportada en [20] porque función gaussiana normalizada adoptada en este paper, mientras función gaussiana no normalizada usada en [20]. f₀ en este paper equivalente a f₀/σ reportado en [20]. Corriente eléctrica entre dos contactos (nombrados a y b, respectivamente) expresable como

donde V_ab (R_ab) voltaje (resistencia) entre contactos a y b, o origen mancha luz, S indica área triángulo abo. Debe mencionarse área absorción saturada, en que intensidad luz absorbida muestra constante y alcanza absorción máxima muestra, debe deducirse integral Ec. (3). Esto debido a que gradiente portadores foto-generados cero en esa área, y como resultado, corriente spin y corriente PISHE todas cero en área.

Cabe notar Ec. (3) solo vale cuando contactos a y b cubiertos por mancha luz, porque fuera mancha luz Ec. (2) ya no válida. Así, teniendo en cuenta relación entre corriente eléctrica fuera (J_f) y dentro (J_e) mancha, i.e., J_f = J_e exp(-l/(A·L_s)) [41], podemos expresar Ec. (3) como:

Aquí, l distancia entre borde mancha luz y conexión dos contactos, L_s longitud difusión electrones, A constante. Usando Ec. (2) y (4) ajustar corriente PISHE medida experimentalmente, podemos obtener fuerza transversal spin f₀ y longitud difusión A·L_s. Resultado ajuste mostrado Fig. 1c línea sólida. Uno ve datos experimentales bien ajustados por modelo. En ajuste, siguientes parámetros medidos experimentalmente adoptados, σ = 0.2 mm, L = 4 mm, r₀ = 0.7 mm, R_ab = 15.5 kΩ. Fuerza transversal spin f₀/q electrones ajustada 6.8 × 10⁻⁶ N·m/C a 300 K, A·L_s ajustado 2.8 × 10⁻⁴ m, y radio área absorción saturada ajustado 0.34 mm, indicando intensidad absorción saturada luz I_c corresponde ~1/5 intensidad máxima I_m, i.e., I_c = 1/5 I_m.

Para investigar dependencia corriente PISHE en potencia luz y perfil luz, realizamos medición PISHE bajo diferentes potencia luz y perfiles luz. Figura 2a, b muestra corriente PISHE función ubicaciones mancha luz bajo diferentes potencia luz con radio mancha r₀ = 1.5 mm y σ = 0.5 mm y r₀ = 1 mm y σ = 0.3 mm, respectivamente. Símbolos datos experimentales, líneas sólidas cálculos teóricos según Ec. (2) y (4). En cálculos, mismos parámetros, excepto parámetros mancha luz, adoptados Fig. 1c usados, i.e., f₀/q = 6.8 × 10⁻⁶ N·m/C, A·L_s = 2.8 × 10⁻⁴ m, R_ab = 15.5 kΩ, I_c = 1/5 I_m. Aquí, I_m intensidad máxima luz cuando potencia 250 mW. Se ve intensidad corriente PISHE aumenta con potencia luz, y bajo potencia 250 mW, mancha luz con mayor FWHM (i.e., mayor σ) lleva mayor corriente PISHE. También vemos que, para mancha luz con mayor FWHM, pico curva PISHE presentará en mayor valor x. Aquí, x distancia entre centro mancha luz y punto medio conexión dos contactos. Esto porque corriente spin y resultante corriente PISHE proporcionales gradiente perfil luz. Para mejor comparación corriente PISHE inducida diferentes perfiles mancha luz, resumimos resultados Fig. 2a, b en Fig. 2c, i.e., resumimos dependencia valor pico corriente PISHE en potencia excitación para diferentes perfiles mancha luz en Fig. 2c, donde símbolos indican datos experimentales, líneas sólidas resultados cálculo teórico. Uno ve resultados experimentales concuerdan muy bien simulaciones teóricas, confirmando modelo.

Corriente PISHE función ubicaciones mancha luz bajo diferentes potencia luz. a, b PISHE excitada por perfil gaussiano mancha luz con r₀ = 1.5 mm y σ = 0.5 mm y r₀ = 1 mm y σ = 0.3 mm, respectivamente. c Variación valor pico corriente PISHE con potencia excitación, donde símbolos y líneas sólidas son datos experimentales y resultados cálculo teórico, respectivamente

Figura 2c indica que, al aumentar potencia, corriente PISHE aumenta monótonamente primero y luego satura gradualmente. Emergencia saturación corriente PISHE con potencia luz debida a presencia saturación absorción alta potencia. Cuando intensidad máxima luz menor intensidad saturación absorción, corriente PISHE aumenta linealmente con potencia luz. Cuando intensidad máxima luz mayor intensidad saturación absorción, corriente PISHE tiende saturación con aumento potencia luz. Influencia tamaño mancha luz en corriente PISHE entendible en aspecto efecto FWHM mancha luz en corriente PISHE, porque tamaño mancha luz y FWHM correlacionados entre sí por potencia luz. Específicamente, para cierta potencia luz, mayor tamaño mancha luz tiene mayor valor FWHM. En cierta potencia luz, si intensidad máxima luz menor intensidad saturación absorción, perfil luz con menor FWHM (i.e., menor tamaño mancha luz) puede generar mayor corriente PISHE, porque menor FWHM resultará mayor corriente spin; mientras si intensidad máxima luz mayor intensidad saturación absorción, perfil luz con menor valor FWHM llevará menor corriente PISHE. Esto también claramente visto Fig. 3, que resume corriente PISHE función ubicaciones mancha luz bajo diferentes perfiles luz. Potencia luz 250 mW. Se ve que, al aumentar σ 0.2 a 0.5 mm, valor pico corriente PISHE disminuye monótonamente. Esto porque en área absorción saturada, no hay corriente spin, y como resultado, no corriente PISHE generada. Por tanto, luz dentro área absorción saturada no contribuye corriente PISHE. Recuadro Fig. 3 muestra distribución intensidad luz para diferentes perfiles gaussianos. Línea discontinua representa intensidad saturación absorción muestra. Puntos intersección entre línea discontinua y curvas intensidad luz indican radio áreas absorción saturadas, denotados r_s. Luz dentro área circular radio r_s, indicada área sombreada cuando r₀ = 1.5 y σ = 0.5 mm, no contribuye corriente PISHE. Se ve que, para potencia luz 250 mW, aunque perfil luz con menor FWHM llevará mayor corriente spin en área absorción no saturada, este efecto abrumado por más energía desperdiciada en área absorción saturada. Como resultado, perfil luz con menor σ (i.e., σ = 0.2 mm) genera menor valor PISHE que con mayor σ (i.e., σ = 0.3 o 0.5 mm).

Corriente PISHE función ubicación mancha luz bajo diferentes perfiles gaussianos cuando potencia luz 250 mW. Recuadro muestra distribución intensidad luz para diferentes perfiles gaussianos. Línea discontinua indica intensidad saturación absorción muestra

Para investigar mecanismo dominante PISHE, realizamos mediciones PISHE diferentes temperaturas. Figura 4a muestra corriente PISHE función ubicación mancha luz medida 77, 130, 180, y 230 K. Mancha láser perfil gaussiano r₀ = 0.7 mm y σ = 0.2 mm, potencia 250 mW. Cuadrados datos experimentales, líneas sólidas resultados ajuste usando Ec. (2) y (4). Se ve datos experimentales todos bien ajustados modelo a todas temperaturas. Por ajuste, podemos obtener fuerza transversal spin f₀/q, mostrada Fig. 4b, y longitud difusión electrones A·L_s diferentes temperaturas. Línea discontinua Fig. 4b guía ojos. Para determinar valor parámetro A, debemos comparar dependencia temperatura A·L_s a resultados previos dependencia temperatura longitud difusión electrón L_s. Ajustando nuestro valor A·L_s a valor L_s obtenido en [42], podemos determinar constante A = 1.65 × 10². Muy buen acuerdo nuestros resultados con previos mostrado Fig. 4c verifica nuestro método. Se ve longitud difusión electrón disminuye con aumento temperaturas, atribuible principalmente a realce dispersión portadores por fonones [43].

Dependencia temperatura corriente PISHE, fuerza transversal spin, y longitud difusión electrón GaAs/AlGaAs 2DEG. a Resultados experimentales y modelado corriente PISHE función ubicaciones mancha luz medidas diferentes temperaturas. Cuadrados sólidos datos experimentales, líneas sólidas resultados ajuste. b, c Fuerza transversal spin y longitud difusión electrón función temperatura, respectivamente. Línea discontinua b guía ojos, línea sólida c obtenida [42]

Sorprendentemente, fuerza transversal spin f₀/q 2DEG aumenta monótonamente con temperatura creciente, mostrando tendencia variación opuesta temperatura para PISHE observado en estructuras híbridas Au/InP [44]. Este fenómeno inesperado puede relacionarse con mecanismo PISHE. Hay dos mecanismos PISHE en 2DEG semiconductor: intrínseco y extrínseco. El primero surge principalmente estructura banda, el segundo origina asimetrías dispersión spin up y down debido efecto SOC en impurezas [7, 16]. Para 2DEG semiconductor grupo puntual C_{2v}, fuerza transversal spin inducida mecanismo intrínseco expresable f₀ = (4m*² τ_s D / ħ²) (α² + β²) [20, 40], donde ħ constante Planck reducida, τ_s tiempo relajación spin, D coeficiente difusión spin, α (o β) constante Rashba (o Dresselhaus) proporcional fuerza SOC Rashba (o Dresselhaus). Para GaAs/AlGaAs 2DEG, tiempo relajación spin τ_s proporcional T⁻¹ [45]. Aquí, T temperatura. Para 2DEG dopado modulación, fuerza SOC Rashba mucho mayor Dresselhaus (ver discusión siguiente); como resultado, constante Rashba α mucho mayor constante Dresselhaus β. Coeficiente difusión spin D proporcional T⁻² [46, 47]. Dependencia temperatura α expresable a + bT, donde a y b constantes, a ~dos órdenes mayor b [48]. Así, considerando dependencia temperatura τ_s, D, y α, tenemos f₀ ∝ T⁻³, sugiriendo fuerza transversal spin inducida mecanismo intrínseco debería disminuir con aumento temperaturas. Para mecanismo extrínseco, fuerza transversal spin depende concentración impureza ionizada, especialmente dispersión side-jump extrínseca [49, 50]. Dado hay dopaje fondo en nuestra muestra, y ionización impureza aumenta con temperatura, dispersión asimétrica más fuerte para electrones spin-up y spin-down ocurre al aumentar temperatura, llevando mayor fuerza transversal spin con aumento temperatura. Dado que fuerza transversal spin f₀ observada en nuestro experimento aumenta con aumento temperatura, puede inferirse PISHE dominado por mecanismo extrínseco, en que impurezas principalmente introducidas por dopaje fondo durante proceso crecimiento.

Para further confirmar PISHE efectivamente dominado por mecanismo extrínseco, medimos distribución espacial corriente PISHE recolectada entlang diferentes direcciones cristalinas. Figura 5a, b muestra distribución espacial corriente PISHE recolectada entlang [110] y [100] direcciones cristalinas, respectivamente. Para eliminar influencia movilidad portador y densidad portador diferentes direcciones cristalinas, normalizamos corriente PISHE por fotocorriente correspondiente J₀ bajo bias 0.3 V cuando contactos entlang [110] y [100] direcciones, respectivamente. Medidas realizadas temperatura ambiente bajo radiación potencia 60 mW. Radio mancha luz r₀ 1.0 mm, σ 0.3 mm. Símbolos datos experimentales, líneas sólidas resultados ajuste según Ec. (2) y (4). Se ve no diferencia marcada entre corriente PISHE normalizada recolectada entlang [110] y [100] direcciones cristalinas.

Corriente PISHE normalizada recolectada entlang diferentes orientaciones cristalinas. Corriente PISHE normalizada por fotocorriente bajo bias 0.3 V. Símbolos sólidos datos experimentales, líneas sólidas resultados ajuste teórico. Recuadros muestran diagramas esquemáticos geometrías medición correspondientes

Para mecanismo intrínseco, corriente PISHE entlang cierta dirección cristalina relacionada splitting spin esa dirección. Para obtener conocimiento anisotropía splitting spin en GaAs/AlGaAs 2DEG, medimos dependencia orientación cristalina corriente CPGE a temperatura ambiente, i.e., medimos corriente CPGE cuando dos contactos entlang [110] (o [100]) dirección y plano incidencia luz yace en [1\bar{1}0] (o [010]) dirección, cuyos resultados mostrados cuadrados (o círculos) Fig. 6. Cabe mencionar que al medir corriente CPGE, mancha luz ubicada punto medio conexión dos contactos, donde PISHE cero según [20]. Corriente CPGE también normalizada por fotocorriente correspondiente bajo bias 0.3 V eliminar influencia movilidad portador y densidad portador diferentes direcciones cristalinas [51]. Luego, usamos siguiente ecuación ajustar corriente CPGE normalizada dependiente ángulo obtener fuerza SOC relativa entlang diferentes direcciones cristalinas [21, 27]:

Dependencia ángulo incidencia corriente CPGE normalizada recolectada entlang diferentes orientaciones cristalinas. Corriente CPGE normalizada por fotocorriente bajo bias 0.3 V. Símbolos sólidos datos experimentales, líneas resultados ajuste según Ec. (5)

Aquí, θ ángulo incidencia, n índice refracción GaAs, A_λ constante proporcional constante SOC. Resultados ajuste mostrados líneas sólidas Fig. 6. Cuando plano incidencia luz yace en [1\bar{1}0] dirección y corriente CPGE recolectada entlang [110] dirección, correspondiente parámetro A, denotado A_[110], proporcional suma SOC Rashba y Dresselhaus, i.e., A_[110] ∝ α + β [51-53]. Cuando plano incidencia luz yace en [010] dirección y corriente CPGE recolectada entlang [100] dirección, correspondiente parámetro A, denotado A_[100], proporcional SOC Rashba, i.e., A_[100] ∝ α [51-53]. Así, por ratio A_[110]/A_[100], podemos obtener ratio relativo Rashba a Dresselhaus SOC, i.e., β/α = A_[110]/A_[100] - 1 = 0.32, indicando splitting spin en GaAs/AlGaAs 2DEG tiene anisotropía cristalina [21]. Por tanto, contribución intrínseca PISHE debería ser sensible eje cristalino [16]. Específicamente, según Ec. (2) y (4), cuando contactos entlang [110] (o [100]) dirección, corriente PISHE medida dominada por corriente Hall spin inversa fluyendo casi paralelo [110] (o [100]) dirección ya que corriente PISHE es corriente vórtice. Si mecanismo intrínseco juega papel dominante en 2DEG, corriente PISHE recolectada entlang estas dos direcciones debería ser diferente. Sin embargo, no diferencia marcada observada, sugiriendo mecanismo extrínseco dominante en GaAs/AlGaAs 2DEG.

Conclusiones

En conclusión, corriente PISHE en GaAs/AlGaAs 2DEG investigada en rango temperatura 77 a 300 K. Fuerza transversal spin determinada ajustando corriente PISHE a modelo teórico. Dependencia PISHE en potencia luz y perfiles mancha luz investigada, muestra buen acuerdo con modelo teórico. Evolución corriente PISHE con temperatura sugiere PISHE dominado por mecanismo extrínseco, further confirmado por débil dependencia corriente PISHE en orientación cristalina muestra.

Abreviaturas

2DEG:

Gas electrónico bidimensional

CPGE:

Efecto fotogalvánico circular

EMF:

Fuerza electromotriz circular

FWHM:

Ancho medio máximo

ISHE:

Efecto Hall spin inverso

MBE:

Epitaxia haz molecular

PISHE:

Efecto Hall spin inverso foto-inducido

SHE:

Efecto Hall spin

SOC:

Acoplamiento spin-órbita