スピン軌道相互作用が起こすスピン依存伝導現象の理論

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近年、時間や空間的に変化するスピン軌道相互作用の実現が可能となってきており、この時間や空間に依存するスピン軌道相互作用下における電子スピンの運動を理解することが必要となってきている。本年度は、スピン軌道相互作用が非可換ゲージポテンシャルとして扱えることに着目し、スピン軌道相互作用下において電磁場により誘起される電子スピン密度およびスピン流のゲージ共変な表式を解析的に求めた。非可換ゲージ理論により、スピン軌道相互作用の時間微分は有効的なYang-Mills電場、また空間微分は磁場として働く。それにより、通常のU(1)電磁場とスピン軌道相互作用によるSU(2)のYang-Mills電磁場を用いて結果を整理することに成功した。その中でYang-Mills磁場とU(1)電場によるホール効果の項に着目すると、この項がスピンホール効果と逆スピンガルバニック効果のよく知られた2つの現象に対応することが判明した。Yang-Mills磁場には、U(1)の磁場とは異なり非可換性から現れる成分が存在し、その非可換の効果からスピンホール効果が、また通常の空間微分の成分から逆スピンガルバニック効果が得られる。今まで別々に考えられてきた現象が、本研究によりSU(2)×U(1)ホール効果であることが明らかになり、スピントロニクス現象の統一的な理解にまたひとつ前進したと言えよう。また得られた結果から、逆スピンガルバニック効果の空間依存性についても解析を行った。そして、そのふるまいがスピン軌道相互作用の大きい極限と小さい極限とで異なることが明らかになった。両者は空間的に一様なスピン軌道相互作用の下で異なるふるまいを見せるが、印加した電流についても一様な極限でのみ一致する。この結果は、スピン制御の観点で今後重要になってくることが考えられる。