(57)【要約】【課題】スピンの流れを任意の場所に運べるようにする。【解決手段】半導体からなる量子井戸構造１０１と、量子井戸構造１０１の上に形成されたゲート電極１０２と、偏光の光をゲート電極１０２が形成されている領域の中央部に照射する光照射部１０３とを備える。量子井戸構造１０１は、化合物半導体から構成され、主表面が（００１）面とされていればよい。ゲート電極１０２は、例えば、平面視で円環状に形成されている。光照射部１０３は、ゲート電極１０２が形成されている領域の内部おける井戸層にスピン偏極電子を生成するための円偏光の光を、ゲート電極１０２が形成されている領域の中央部に照射する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体からなる量子井戸構造と、
前記量子井戸構造の上に形成された平面視で環状のゲート電極と、
前記ゲート電極が形成されている領域の内部おける井戸層にスピン偏極電子を生成するための円偏光の光を、前記ゲート電極が形成されている領域の中央部に照射する光照射部と
を備えることを特徴とするスピン流制御装置。
【請求項２】
請求項１記載のスピン流制御装置において、
前記ゲート電極は、平面視で円環状に形成されていることを特徴とするスピン流制御装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のスピン流制御装置において、
前記ゲート電極は、
前記量子井戸構造の構造反転性の破れに起因するラシュバスピン軌道相互作用による第１有効磁場の強さを決定するパラメータαと、
前記量子井戸構造における結晶の反転対称性の破れに起因するドレッセルハウススピン軌道相互作用による第２有効磁場の強さを決定するパラメータβとを、
前記ゲート電極の直下において−α＝βとなる状態に制御する
ことを特徴とするスピン流制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のスピン流制御装置において、
前記量子井戸構造は、化合物半導体から構成され、主表面が（００１）面とされていることを特徴とするスピン流制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン流を任意の場所に運ぶスピン流制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体においてスピンの向きやスピン歳差運動を制御することは、スピン自由度を利用した量子情報やスピントロニクスデバイスに向け重要な要素技術となる。
【０００３】
電子は、電荷と共にスピン自由度を有し、円偏光励起によるスピン角運動量移行や強磁性体からの電気的注入により、スピンの向きが揃った電荷の流れ、つまりスピン流を生成することができる。しかしながら、通常スピンは、電荷と共に拡散もしくはドリフトによって運ばれる。
【０００４】
拡散の場合には、スピン流は２次元平面全体に伝搬する。このため、スピン流の方向を制御するには、電荷の流れる半導体チャネル形状を、微細加工プロセスなどによって作製し、チャネル形状に沿ってスピン流を流す制御技術が必要であった。
【０００５】
これまでスピン流を制御するためには、電荷の流れるチャネル自体を半導体プロセスにより加工して用いていた。例えば、非特許文献１のＦｉｇ．１，Ｆｉｇ．３に示されているように、Ｌ字構造の半導体チャネルを形成し、電荷の流れに沿ってスピン流を輸送する技術が用いられてきた（図４参照）。しかしながら、この技術では、規定（形成）されたチャネルの部分のみにスピン流を流すことしかできない。一度形成したチャネル形状を変更することはできず、この技術では、常に同じ場所にのみスピン情報を運ぶことしかできない。
【０００６】
また、非特許文献２のＦｉｇ．３に示されているように、Ｆｅ／ＧａＡｓ接合を用いて強磁性体金属Ｆｅから半導体への電気的スピン注入を行う技術も提案されている（図５参照）。この技術では、電子は、ドリフト拡散によりＦｅ注入電極から２次元平面全体に広がる。このため、この技術では、電荷の流れとは独立して、スピン流の方向を制御することはできない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Y. K. Kato et al., "Electrical initialization and manipulation of electron spins in an L-shaped strained n-InGaAs channel", Applied Physics Letters, vol. 87, 022503, 2005.
【非特許文献２】S. A. Crooker et al., "Optical and electrical spin injection and spin transport in hybrid Fe/GaAs devices", Journal of Applied Physics, vol. 101, 081716, 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したように、従来の技術では、任意方向にスピンの流れを運ぶことは困難であった。将来的にスピンを用いて再構成可能な論理回路などを組む場合には、論理回路の要素となる素子自体が再構成可能であると共に、素子間をつなぐ配線も再構成可能であることが望まれる。よって、電荷の流れと分離して、スピンの流れを任意の場所に運ぶ技術を確立する必要がある。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、スピンの流れを任意の場所に運べるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るスピン流制御装置は、半導体からなる量子井戸構造と、量子井戸構造の上に形成された平面視で環状のゲート電極と、ゲート電極が形成されている領域の内部おける井戸層にスピン偏極電子を生成するための円偏光の光を、ゲート電極が形成されている領域の中央部に照射する光照射部とを備える。
【００１１】
上記スピン流制御装置において、ゲート電極は、平面視で円環状に形成されている。
【００１２】
上記スピン流制御装置において、ゲート電極は、量子井戸構造の構造反転性の破れに起因するラシュバスピン軌道相互作用による第１有効磁場の強さを決定するパラメータαと、量子井戸構造における結晶の反転対称性の破れに起因するドレッセルハウススピン軌道相互作用による第２有効磁場の強さを決定するパラメータβとを、ゲート電極の直下において−α＝βとなる状態に制御する。
【００１３】
上記スピン流制御装置において、量子井戸構造は、化合物半導体から構成され、主表面が（００１）面とされていればよい。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、量子井戸構造の上に環状のゲート電極を設け、この中央部に円偏光を照射するようにしたので、スピンの流れを任意の場所に運べるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、永久スピン旋回状態を説明するための説明図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態におけるスピン流制御装置の構成を示す構成図である。
【図３】図３は、スピン流の状態を空間マピングシミュレーションした結果を示す分布図である。
【図４】図４は、非特許文献１に記載された図面である。
【図５】図５は、非特許文献２に記載された図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
はじめに、本発明の概要について説明する。半導体量子井戸構造においては、構造反転対称性の破れに起因するラシュバスピン軌道相互作用と、結晶の反転対称性の破れに起因するドレッセルハウススピン軌道相互作用が存在する。この２つのスピン軌道相互作用はどちらも有効磁場を生成する。ラシュバスピン軌道相互作用は、以下の式（１）で記述でき、ドレッセルハウススピン軌道相互作用は、以下の式（２）で記述できる。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
式（１）において、ＢRはラシュバスピン軌道相互作用による有効磁場である。また、式（２）において、ＢD1はドレッセルハウススピン軌道相互作用による有効磁場である。また、ｇはランデｇ因子、μBはボーア磁子、ｋiは電子の波数を示す。
【００１９】
ラシュバスピン軌道相互作用の式（１）において、有効磁場の強さを決めるパラメータは、αである。また、ドレッセルハウススピン軌道相互作用の式（２）において、有効磁場の強さを決めるパラメータは、βである。
【００２０】
２種類のスピン軌道相互作用の係数αと係数βが等しい場合には、有効磁場の方向が一軸異方性を持つ永久スピン旋回状態が生成される。この永久スピン旋回状態（＋α＝β）は、図１の（ａ）に示すように、黒い領域で示す上向きスピン（紙面上向き）、および白い領域で示す下向きスピン（紙面下向き）が，ストライプ状に現れるため、ストライプと並行方向ではスピン状態が保存され、直線的に長距離まで輸送することができる。
【００２１】
例えば、２次元電子ガスを有する半導体構造では，ラシュバスピン軌道相互作用と、ドレッセルハウススピン軌道相互作用の２つの異なった起源をもつスピン軌道相互作用が共存し、この２つのスピン軌道相互作用の大きさを等しくし，かつ、半導体の特定の結晶軸方向にスピン流を伝搬させた場合，スピンの向きの一様性が保持され、長距離まで輸送が可能となる。例えば、半導体の［１−１０］方向に輸送可能となる。
【００２２】
ラシュバスピン軌道相互作用の係数αの符号が負の場合（−α＝β）には、逆永久スピン旋回状態が実現され、有効磁場方向が９０°反転することで、ストライプ状の各スピンは、図１の（ｂ）に示すように、永久スピン旋回状態から９０°回転した方向に生成される。
【００２３】
有効磁場方向が互いに９０°異なるどちらかの永久スピン旋回状態では、スピン流をストライプと並行の方向にのみ輸送でき、任意の方向に輸送することはできない。しかしながら、永久スピン旋回状態と、これに対して有効磁場方向が９０°回転した逆永久スピン旋回状態とを組み合わせることで、任意方向にスピン流を輸送することが可能となる。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態おけるスピン流制御装置について図２を参照して説明する。このスピン流制御装置は、半導体からなる量子井戸構造１０１と、量子井戸構造１０１の上に形成されたゲート電極１０２と、偏光の光をゲート電極１０２が形成されている領域の中央部に照射する光照射部１０３とを備える。
【００２５】
量子井戸構造１０１は、化合物半導体から構成され、主表面が（００１）面とされていればよい。量子井戸構造１０１は、例えば、主表面の面方位が（００１）とされたＡｌＧａＡｓからなる障壁層１０４，１０５と、これらに挾まれたＧａＡｓからなる井戸層１０６とから構成されている。量子井戸構造１０１は、平面視で、１００×６０（μｍ）の矩形とされ、厚さは１ｍｍ程度とされている。
【００２６】
なお、量子井戸構造１０１は、ＧａＡｓ系やＩｎＰ系の他の化合物半導体から構成してもよい。量子井戸構造１０１は、この面方位による平面方向の結晶軸方向が、ラシュバスピン軌道相互作用とドレッセルハウススピン軌道相互作用が共存し、２つのスピン軌道相互作用の大きさを等しくした場合、スピン流がスピンの向きの一様性が保持されて長距離まで輸送が可能な結晶軸方向とされていればよい。
【００２７】
ゲート電極１０２は、平面視で環状とされている。ゲート電極１０２は、例えば、平面視で円環状に形成されている。ゲート電極１０２は、例えば、Ａｕ層とこの上に形成されたＣｕ層とから構成すればよい。
【００２８】
光照射部１０３は、ゲート電極１０２が形成されている領域の内部おける井戸層にスピン偏極電子を生成するための円偏光の光を、ゲート電極１０２が形成されている領域の中央部に照射する。
【００２９】
ここで、ゲート電極１０２により、量子井戸構造１０１の構造反転性の破れに起因するラシュバスピン軌道相互作用による第１有効磁場の強さを決定するパラメータαと、量子井戸構造１０１における結晶の反転対称性の破れに起因するドレッセルハウススピン軌道相互作用による第２有効磁場の強さを決定するパラメータβとを、ゲート電極１０２の直下において−α＝βとなる状態に制御する。
【００３０】
前述したように、半導体に存在するラシュバスピン軌道相互作用とドレッセルハウススピン軌道相互作用とが生成する有効磁場は、各々、式（１）の係数αと、式（２）の係数βによって決定される。特にラシュバスピン軌道相互作用の大きさは、ゲート電極１０２によって制御できる。
【００３１】
ゲート電極１０２の中央部(ゲート電極１０２が存在していない領域)に対し、光照射部１０３から円偏光の光を照射することにより、井戸層１０６に形成されている２次元電子ガスの電子を励起してスピン偏極電子を生成する。生成された電子スピンは、井戸層１０６において拡散しながら広がり有効磁場を受けて歳差運動しながら永久スピン旋回状態となり、生成した後、例えば３０１ピコ秒の後には、図３の（ａ）に示すように、横ストライプ状に広がる。なお、図３において、黒い領域は、上向きスピン（紙面上向き）であり、白い領域は、下向きスピン（紙面下向き）である。
【００３２】
ここで、ゲート電極１０２の直下では、ゲート電極１０２に所定のゲート電圧を印加することによって、ラシュバスピン軌道相互作用の係数を‐αに制御しておくことで、逆永久スピン旋回状態(‐α＝β)とする。
【００３３】
円偏光の光を照射により励起・生成されたスピン流は、例えば１３０４ピコ秒後に、拡散によってゲート電極１０２の中央部から広がり、ゲート電極１０２直下の逆永久スピン旋回状態の領域に入り、図３の（ｂ）に示すように、ストライプ方向が横から縦へと変化する。なお、スピン流は、井戸層１０６に形成されている２次元電子ガスの領域において、半導体結晶の［１１０］方向、［１−１０］方向に拡散して移動する。
【００３４】
以上に示したように、実施の形態によれば、ゲート電極１０２の中央部に円偏光の光照射で生成し、拡散によりゲート電極１０２の直下に移動した電子スピンのスピン流を９０°の角度で曲げることが可能となり、任意の場所にスピン流を輸送することができるようになる。
【００３５】
以上に説明したように、本発明によれば、量子井戸構造の上に環状のゲート電極を設け、この中央部に円偏光を照射するようにしたので、２次元平面においてスピンが流れる方向を任意に制御することができるようになり、スピンの流れを任意の場所に運べるようになり、電荷が流れる方向に因らず、任意の場所にスピン情報を伝送することが可能となる。
【００３６】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００３７】
１０１…量子井戸構造、１０２…ゲート電極、１０３…光照射部、１０４…障壁層、１０５…障壁層、１０６…井戸層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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