Synthetic Rashba spin-orbit system using a silicon metal-oxide semiconductor

The spin-orbit interaction (SOI), as a manifestation of a relativistic effect in solids, has been attracting great attention in condensed matter physics because of its abundant nature for manipulating and/or converting a spin degree of freedom. Compound materials with bulk inversion symmetry breaking (GaAs, BiTeI, NbSe2…), heterostructures consisting of the aforementioned materials (InGaAs/InAlAs, Bi/Ag…) and single heavy elements (Pt, W, Ta, Bi…) are pivotal material systems for generating strong Dresselhaus- and Rashba-type SOI and for shedding light on a wide variety of modern physics such as two-dimensional materials science, superconductivity, magnetoelectrics, spintronics etc. Consequently, however, light elements and materials with bulk inversion symmetry have been outside the scope of the quest for SOI in solids. In this work, we show that a Si metal-oxide-semiconductor (MOS) is a new material stage possessing Rashba-type SOI, although Si is a light element and has lattice inversion symmetry resulting in inherently negligible SOI in bulk form. A strong gate electric field is applied to the Si MOS, and unexpectedly, we observe spin precession of propagating spins in the Si through the formation of an emergent effective magnetic field due to the SOI in the Si MOS. Furthermore, the Rashba parameter α in the system increases linearly up to 9.8×10−16 eV∙m for a gate electric field of 0.5 V/nm, i.e., it is gate tuneable, and the spin splitting Δ0 (= 0.6 μeV) is equivalent to that in strained GaAs. This finding is a successful establishment of a synthetic Rashba system using a ubiquitous light element with bulk inversion symmetry and pioneers a new family of SOI systems.

Зонный спектр квантовых ям HgCdTe: эффекты «понижения» симметрии / Гавриленко В.И., Бовкун Л.С., Иконников А.В., Алешкин В.Я., Спирин К.Е., Маремьянин К.В., Михайлов Н.Н., Дворецкий С.А., Potemski M., Piot B., M. Orlita

Методом спектроскопии уровней Ландау исследована зонная структура квантовых ям (КЯ) HgTe/HgCdTe с нормальным и инвертированным спектром и выявлены проявления механизмов «понижения» симметрии: анизотропии химических связей на интерфейсах (Interface Inversion Asymmetry, IIA), отсутствие симметрии инверсии в кристаллической решетке (Bulk Inversion Asymmtry, BIA) и встроенного электрического поля в структурах с односторонним селективным легированием барьеров (Structure Inversion Asymmetry, SIA). Методом фурье-спектроскопии исследованы спектры магнитопоглощения и фарадеевского вращения в магнитных полях до 11 Тл. Исследование спектров фарадеевского вращения дает возможность определять знак резонансной круговой поляризации переходов между уровнями Ландау носителей, что позволило идентифицировать наблюдаемые внутризонные и межзонные переходы в дальнем и среднем инфракрасном диапазонах [1]. Обнаружено, что широко используемая для описания топологических материалов на основе HgTe аксиально-симметричная 8-зонная модель Кейна не полностью описывает наблюдаемую картину внутризонных и межзонных переходов, а именно: антипересечения уровней Ландау и появление переходов, запрещенных в электродипольном приближении в рамках этой модели. Достаточно хорошее согласие с экспериментом достигается при расширении стандартной модели при учете эффектов IIA и BIA. Учет этих факторов нарушает аксиальную симметрию и существенно модифицирует спектр прежде всего валентной зоны. [2] Исследованы спектры циклотронного резонанса (ЦР) электронов в классических и квантующих магнитных полях в асимметричных гетероструктурах с квантовыми ямами HgCdTe/CdHgTe с селективным легированием барьеров с большой концентрацией носителей (ns > 2*1012 см-2). Выполнены самосогласованные расчеты энергетических спектров и уровней Ландау в рамках 8- зонной модели Кейна в приближении Хартри. В слабых полях обнаружено сильное расщепление линии циклотронного резонанса (~ 10%), связанное с гигантским (до 30 мэВ) расщеплением Рашбы на уровне Ферми в образцах как с инвертированной, так и впервые с нормальной зонной структурой. Показано, что в обоих случаях большая величина расщепления обусловлена присутствием в волновых функциях состояний нижней подзоны зоны проводимости значительной доли (от 50% и более) ”дырочных“ волновых функций (p-типа). Эволюция линий поглощения с магнитным полем прослежена вплоть по 34 Тл, когда магнитное квантование уже превалирует над расщеплением Рашбы. [3]

k⋅p WURTZITE HAMILTONIAN AND OPTICAL MATRIX WITH BULK INVERSION ASYMMETRY

A k⋅p wurtzite Hamiltonian including the bulk (or intracell) inversion asymmetry is developed. Meanwhile, a k⋅p wurtzite optical matrix including this intracell asymmetry is also established.