私達の生活を支えている半導体デバイスは電子の電荷を用いて膨大な情報の処理を行っています。しかし、もともと電子は電荷だけでなくスピンも有していますが、今までそれらは利用されてきませんでした。しかし、半導体中でスピンの自由度を利用することにより、半導体が持つ自由度の高い構造設計と多様な制御・検出方法とスピンを融合させた新たな機能を持つ量子デバイスの実現が可能となります。そのためには、まず半導体中にスピンの揃った(=スピン偏極した)キャリアを注入する必要があります。私達の研究室は、強磁性半導体(Ga,Mn)Asを用いて(非磁性)半導体へスピン偏極したホール/電子の電気的注入を実現しました。
　図1に試料の構造を示します。ホールスピン注入では強磁性半導体(Ga,Mn)Asからスピン偏極したホールを非磁性半導体中に注入します。電子スピン注入では、強磁性半導体(Ga,Mn)Asが高濃度P型半導体のためそのまま用いてもスピン偏極電子を注入することは出来ません。そこで、p+-(Ga,Mn)As/n+-GaAsトンネル接合を用いて(Ga,Mn)Asの価電子帯からn-GaAsの伝導帯へスピン偏極した電子を注入します。そして注入されたスピン偏極キャリア検出には、非磁性半導体中に形成した量子井戸からの発光の偏光を観測します。

図１.ホールスピン注入試料の試料構造(左)と電子スピン注入試料のバンド構造(右)。

図２.ホールスピン注入試料の偏光率磁場依存性(左)と電子スピン注入試料の偏光率磁場依存性(左)。

また、ゼロ磁場における偏光率の温度依存性は(Ga,Mn)Asの磁化の温度依存性と一致することから、ホール/電子スピン注入試料とも(Ga,Mn)Asの磁化に依存した偏光率特性が得られ、電気的に非磁性半導体中へスピン偏極したホール/電子が注入されていることを示しています。


図３.ゼロ磁場におけるホールスピン注入(左)/電子スピン注入(右)の偏光率温度依存性と(Ga,Mn)Asの磁化温度依存性。




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