結晶表面上の金属一次元鎖におけるスピン-軌道相互作用とスピン偏極電流

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Bi/Ag系において、通常のRashbaスピン-軌道分裂よりも一桁も大きな分裂が観測された。本研究では、半導体表面上における巨大Rashba分裂の可能性を探るとともに、表面の2次元電子バンドのスピン-軌道分裂の大きさを決定する要因を調べた。研究の究極の目標は、スピン偏極していない非磁性体の表面バンドにおける巨大Rashba効果を利用して、スピン流あるいはスピン偏極電流を実現することにある。本年度は、Ge(111)およびSi(111)表面上に重金属原子を吸着させたさまざまな系について検討した。以下では、そのうち、T1/Ge(111)表面におけるRashbaスピン-軌道分裂の結果について述べる。Ge(111)表面に単原子層以下のタリウムを蒸着すると、加熱条件により、タリウム原子が2次元的に配列した(1x1)構造と、1次元鎖状に配列した(3x1)構造が生成する。本研究では、これらの表面の電子構造を角度分解光電子分光で決定した。また、表面X線回折法等により決定した構造をもとに第一原理電子状態計算を行い、スピン-軌道分裂の詳細な振る舞いを調べた。Bi/Ag表面系では一つの表面バンドでのみRashba分裂が観測されたのに対し、T1/Ge系では数本の表面バンドでRashba分裂が認められた。スピン分裂の大きさはバンドによって大きく異なっており、特に、波動関数の振幅がタリウム原子核周辺に強く局在するバンドほど分裂が大きいという明瞭な傾向が確認された。これは、Rashba効果の微視的理論ともよく整合する結果である。一方、分裂の絶対値をBi/Ag系と比較すると、なお数倍程度の開きがある。このことは、Ag表面の電子状態が巨大Rashba効果の発現に何らかの役割を果たしている可能性を示唆している。