Research Abstract
半導体量子干渉リングにおける電子スピンの幾何学的位相の制御
Control of the spin geometric phase in semiconductor quantum rings
2013年9月26日 Nature Communications 4 : 2526 doi: 10.1038/ncomms3526
ベリーによる定式化以来、幾何学的位相はさまざまな物理系で実証されてきた。しかし、最も基本的なスピン-1/2系、つまり電子スピンの幾何学的位相については、動的位相からの独立制御や直接観測がこれまで実現されていない。今回我々は、ラシュバ・スピン軌道相互作用を有するInGaAs量子干渉リングにおける、幾何学的位相のみを用いた電子スピンの制御に関する実験結果を報告する。面内磁場を印加することにより、アハラノフ・キャッシャー効果の干渉パターンが、スピン軌道相互作用係数の小さな領域に位相シフトを起こすことが観測された。面内磁場が小さな領域における一次元ラシュバ・リングの摂動論により、この位相シフトは非断熱的な電子スピンの幾何学的位相成分の変化にのみ起源を持つことが明らかとなった。実験的に観測された位相シフトは2つの独立した手法、つまり摂動論と数値シミュレーションにより、よく再現された。
長澤 郁弥1, ディエゴ・フラスタグリア2, ヘンリ・サリコスキー2, クラウス・リヒター3 & 新田 淳作1
- 東北大学大学院 工学研究科
- セビリア大学（スペイン）
- レーゲンスブルク大学（ドイツ）
Since the formulation of the geometric phase by Berry, its relevance has been demonstrated in a large variety of physical systems. However, a geometric phase of the most fundamental spin-1/2 system, the electron spin, has not been observed directly and controlled independently from dynamical phases. Here we report experimental evidence on the manipulation of an electron spin through a purely geometric effect in an InGaAs-based quantum ring with Rashba spin-orbit coupling. By applying an in-plane magnetic field, a phase shift of the Aharonov–Casher interference pattern towards the small spin-orbit-coupling regions is observed. A perturbation theory for a one-dimensional Rashba ring under small in-plane fields reveals that the phase shift originates exclusively from the modulation of a pure geometric-phase component of the electron spin beyond the adiabatic limit, independently from dynamical phases. The phase shift is well reproduced by implementing two independent approaches, that is, perturbation theory and non-perturbative transport simulations.
