横方向電子フォーカシングにおけるスピン分裂ピークの温度依存性を調査

概要

n型GaAs二次元電子ガス（2DEG）で横方向電子フォーカシング（TEF）実験を実施。控えめな横磁場（B⊥）で、量子ワイヤインジェクタから検出器へ電子を操向し、B⊥で周期的なフォーカシングピークを観測。注目すべきは奇数番ピークが2つのサブピークに分裂し、それぞれインジェクタから放出される異なるスピン分枝を反映。温度変化で分裂が最低温度で鋭く、熱エネルギー（kBT）がスピンギャップエネルギーの2倍（2ΔE）に近づくにつれ徐々にぼやけることを確認。低温では交換相互作用駆動のスピン分極が支配的であることを裏付けた。

背景

GaAs/AlGaAsヘテロ構造2DEGで実現される準一次元（1D）系での電子輸送は、非相互作用量子力学と多体現象のベンチマークとして長く研究されてきた。コンダクタンスはn·(2e²/h)（n=1,2,3…）で量子化されるが、最近の実験で初期ウィグナー結晶化など豊かな低密度相が発見されている。中心的未解決問題は「0.7異常」と呼ばれる0.7·(2e²/h)付近のコンダクタンスプラトーの起源。その温度依存性と面内磁場下での進化はスピン関連起源を示唆。1Dチャネルでのスピン分極直接探査はこの議論解決に不可欠。横方向電子フォーカシング（TEF)は感度高いスピン分解プローブ：第1フォーカシングピークのスピン分裂はインジェクタの交換駆動分極を反映、p型GaAsやn型InSbで実証済み。先行研究で空間分離したスピン分極1D電子がn-GaAsで第1ピークの明確な分裂を生むことを示した。本研究では温度依存性で分裂進化を調べ、スピンギャップダイナミクスへの洞察を得た。

実験方法

デバイスはGaAs/Al₀.₃₃Ga₀.₆₇As界面の高移動度2DEGから作製。1.5Kで電子密度1.80×10¹¹cm⁻²、移動度2.17×10⁶cm²/V·s、平均自由行程10µm超（デバイス寸法より十分大）。クライオフリーディリュージョン冷凍機で測定、基底格子温度20mK（電子温度≈70mK）。標準ロックイン法で20mK–1.8Kの温度依存データ取得。

結果と考察

Fig.1aに実験レイアウトと典型フォーカシングスペクトル。インジェクタと検出器は1.5µm離隔、各500nm幅、800nm長の量子ワイヤ。独立ゲート制御でクロストーク抑制、観測ピークがTEFのみ由来（Fig.1b）。第1ピークが顕著にサブピークI、IIへ分裂、第2ピークは非分裂。ピーク周期性は半古典的サイクロトロン軌道条件B_focus = √2 ħ k_F / eL（Lは対角線上のインジェクタ-検出器間隔）と一致。観測60mT間隔は計算値とよく合致、半古典的描像確認。第1ピーク分裂はスピン軌道相互作用（SOI）起因。ラシュバ型SOIで2スピン種が異なるサイクロトロン半径辿り、検出器到着時間差生成（Fig.2a）。第2ピークでは境界散乱でスピンアップ電子の運動量反転しスピン保存、2スピン種が単一ピークに再結合（Fig.2b）。座標空間とk空間で機構図解（Fig.2c,d）。温度依存性（Fig.3a-c）で分裂が20mKで鋭く、温度上昇で徐々にぼやけ。インジェクタコンダクタンスGᵢ=G₀で2サブピークが~1.2Kまで持続、1.8Kで融合。Gᵢ=1.8G₀では分裂弱く、サブピークI優勢で振幅温度低下。対照的にGᵢ=0.5G₀では単一ピーク、高温で拡大対称、両スピンサブバンド熱的占有示唆。ピーク進化定量化のため、各フォーカシングトレースを2ローレンツィアン和でフィット：A(B)=Σ Aᵢ γᵢ²/[γᵢ²+(B-Bᵢ)²]。フィット幅は温度上昇で単調増大、熱的拡大示唆。抽出スピン分極p=|A₁-A₂|/(A₁+A₂)はGᵢ=G₀で温度依存弱く（≈0.6%）、Gᵢ=1.8G₀で指数関数的減衰：p=α exp(-kBT/ΔE)+c、ΔE≈0.041meV（≈0.5K）。理論予測（分裂持続はkBT≈2ΔE～1Kまで）と整合、~1.2K付近でのピーク融合観測と一致。

結論

n-GaAsで第1横方向電子フォーカシングピークのスピン分解分裂が20mKから~1.2Kまで頑健。以上では分裂が曖昧化、ピークがますます対称化、2スピン分枝間の熱的平衡化示唆。インジェクタの交換駆動スピン分極の直接証拠を提供、TEFを低次元系スピン物理の強力な温度依存プローブとして確立。