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Coherent spin manipulation without magnetic fields in strained semiconductors

机译：应变半导体中没有磁场的相干自旋操纵

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摘要

A consequence of relativity is that in the presence of an electric field, the spin and momentum states of an electron can be coupled; this is known as spin-orbit coupling. Such an interaction opens a pathway to the manipulation of electron spins within non-magnetic semiconductors, in the absence of applied magnetic fields. This interaction has implications for spin-based quantum information processing and spintronics, forming the basis of various device proposals. For example, the concept of spin field-effect transistors is based on spin precession due to the spin-orbit coupling. Most studies, however, focus on non-spin-selective electrical measurements in quantum structures. Here we report the direct measurement of coherent electron spin precession in zero magnetic field as the electrons drift in response to an applied electric field. We use ultrafast optical techniques to spatiotemporally resolve spin dynamics in strained gallium arsenide and indium gallium arsenide epitaxial layers. Unexpectedly, we observe spin splitting in these simple structures arising from strain in the semiconductor films. The observed effect provides a flexible approach for enabling electrical control over electron spins using strain engineering. Moreover, we exploit this strain-induced field to electrically drive spin resonance with Rabi frequencies of up to ～30 MHz.
机译：相对论的结果是，在电场的存在下，电子的自旋和动量状态可以耦合；反之亦然。这被称为自旋轨道耦合。在没有施加磁场的情况下，这种相互作用为在非磁性半导体中操纵电子自旋开辟了一条途径。这种相互作用对基于自旋的量子信息处理和自旋电子学有影响，构成了各种器件方案的基础。例如，由于自旋轨道耦合，自旋场效应晶体管的概念基于自旋进动。但是，大多数研究集中在量子结构中的非自旋选择性电测量中。在这里，我们报告了在电子磁场响应于施加的电场漂移时，零磁场中相干电子自旋进动的直接测量。我们使用超快光学技术来时空解析应变砷化镓和砷化铟镓外延层中的自旋动力学。出乎意料的是，我们观察到这些简单结构中的自旋分裂是由半导体膜中的应变引起的。观察到的效果为使用应变工程实现电子自旋的电气控制提供了灵活的方法。此外，我们利用这种应变感应场来驱动拉比频率高达〜30 MHz的自旋共振。

著录项

  • 来源
    《Nature》 |2004年第6969期|p.50-53|共4页
  • 作者

    Y. Kato; R. C. Myers; A. C. Gossard; D. D. Awschalom;

  • 作者单位

    Center for Spintronics and Quantum Computation, University of California, Santa Barbara, California 93106, USA;

  • 收录信息 美国《科学引文索引》(SCI);美国《工程索引》(EI);美国《生物学医学文摘》(MEDLINE);美国《化学文摘》(CA);
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 eng
  • 中图分类 自然科学总论;
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