스핀 라머 회전에 의한 전자 진동 현상

초록

스트레인된 n‑InGaAs에 동일한 스핀 상태로 전자를 초기화하고, 수직 자기장을 가하면 외부 전기장 없이도 GHz 대역의 교류 전류가 발생한다. 전류 진폭은 스핀‑궤도 결합 강도와 자기장 세기에 비례적으로 증가하며, 이는 라머 스핀 프리세션에 의해 유도되는 전자들의 ‘진동 운동(프리시전‑드리븐 트레몰링 모션, PDTM)’으로 해석된다.

상세 분석

본 연구는 스핀‑궤도 상호작용(SOI)이 강하게 나타나는 III‑V 반도체인 n‑InGaAs에서, 광학적으로 동일한 스핀 방향으로 전자를 초기화한 뒤, 외부 인플레인 자기장 B‖x를 인가함으로써 전류가 자동으로 발생하는 현상을 최초로 보고한다. 실험은 펄스 레이저(피코초, 1.41 eV)로 전자 스핀 S_z(0)를 σ⁺/σ⁻ 편광에 따라 +z/‑z 방향으로 초기화하고, 고속 전극과 샘플링 오실로스코프를 이용해 전류 파형을 ns‑시간 해상도로 측정한다. 전류는 전자‑홀 재결합(≈100 ps) 이후에도 수 ns에 걸쳐 지속되며, 그 진동 주파수는 전자 g‑인자(|g|≈0.62)와 B에 의해 결정되는 라머 주파수와 일치한다.

전류 진폭 I₀는 B가 증가함에 따라 선형적으로 커지며, B의 부호를 바꾸면 전류 부호도 반전된다. 이는 전류가 스핀‑갤바닉 효과(SGE)와는 다른 메커니즘, 즉 스핀 프리세션에 의해 유도되는 ‘진동 운동(PDTM)’에 기인함을 시사한다. SGE는 인‑플레인 스핀 성분(S_y)에 의해 발생하고 B에 의존하지 않으며, 위상 차이가 π/2인 반면, PDTM은 S_z와 동상(phase 0)이며 B에 비례한다.

이론적으로는 2‑차원 전자 가스의 유효 해밀토니안
H = ℏ²k²/2m* + ℏ ω_L·σ + β_xy σ_x k_y + β_yx σ_y k_x
을 사용한다. 여기서 β_xy, β_yx는 Rashba·Dresselhaus 계수를 나타낸다. 속도 연산자 v_x = (i/ℏ)