저차원 중시계에서의 전하 및 스핀 전도 특성

Abstract

중시계에서의 전도 특성에 대한 연구는 현대 응집물질 물리학에서 매우 중요한 분야이다. 특히 중시계에서의 전도 특성은 평균값을 중심으로 한 요동 현상, 위상 결맞음에 의한 간섭 효과, 전하 운반자의 가둠 효과에 의한 양자화된 물리적 매개변수 등 양자역학적인 현상에 의하여 결정된다. 이와 같은 특성 때문에 중시계에서의 전도 특성에 대한 연구는 도체, 반도체, 부도체, 초전도체 등 이전부터 연구되어 오던 물질에서부터 최근에 발견된 그래핀에 이르기 까지 응집물질에서의 여러 물리적 현상에 대한 우리의 이해 수준을 한층 더 깊이 있게 해 주는데 중요한 역할을 해 왔다. 본 논문은 서로 다른 두 종류의 물질을 이용하여 중시계에서의 전도 특성을 연구한 내용을 담고 있고, 각각의 물질에 대한 연구를 서로 다른 파트로 구성하였다. 첫 번째 파트에서는 GaAs/AlGaAs 2차원 전자계에서의 양자역학적 전하 전도 특성에 대한 연구를 다루고 있고, 두 번째 파트에서는 그래핀에서의 스핀 전도 특성에 대한 연구를 다루고 있다. 첫 번째 파트에서는 GaAs/AlGaAs 2차원 전자계 위에 만들어진 quantum point contact (QPC) 과 전자 간섭계에서의 양자 전도 특성에 대하여 논의하였다. QPC 를 이용하여 전도도를 측정하면 2e2/h의 정수배로 양자화된 정상적인 전도도 플래토 외에도 0.7×(2e2/h) 근처에서 플래토와 유사한 어깨 모양의 비정상적인 구조가 종종 나타난다. 이와 같은 0.7 구조의 기원을 밝히기 위해 실험적으로, 이론적으로 많은 노력이 있어왔다. 그리고 여러 모델 중에서도 스핀 자발적 분극 모델과 콘도 효과 모델은 많은 관심을 받아 왔다. 특히 본 연구에서는 콘도 모델을 검증하기 위한 실험을 구상하였다. 이를 위하여 두 개의 게이트로 이루이전 기존의 간단한 QPC 구조 대신 양자점 구조를 만들어 홑전자가 채워진 국소 상태의 형성이 QPC에서의 0.7 구조 형성에 어떤 영향을 주는지 살펴보았다. 그러나 국소 상태 형성은 0.7 구조의 형성과 관계가 없었고, 전하 운반자의 간섭 현상이 0.7 구조 형성에 중요한 역할을 한다는 것을 볼 수 있었다. 다음으로, 아로노프-보옴 타입의 전자 간섭계를 이용하여 전도도를 관측하면 간섭 현상 외에도 진폭의 맥놀이 현상이 나타난다. 그리고 측정한 전도도를 푸리에 변환하면 아로노프-보옴 주기에 해당하는 h/e 값에서 하나의 봉우리가 관측되는 것이 아니라 그 주위에 여러개의 봉우리가 관측된다. 이러한 현상은 종종 다중 버금띠 효과나 스핀-궤도 상호작용에 의한 베리위상 효과에 의한 것으로 여겨져 왔다. 그러나 기존의 메사 형태의 간섭계 대신 게이트를 이용하여 정전기적으로 간섭계를 만듦으로써 다중 버금띠 효과를 배제했고, GaAs/Al0.3Ga0.7As 2차원 전자계를 이용함으로써와 스핀-궤도 상호 작용 효과를 배제했음에도 불구하고 아로노프-보옴 간섭의 맥놀이 현상과 푸리에 변환에서의 여러개의 $h/e$ 봉우리는 여전히 관측되었다. 그리고 이러한 현상은 실험에서 구현된 아로노프-보옴 간섭계가 기하학적으로 1차원이 아닌 2차원이라는 사실과 자기장이 이러한 2차원 운반자경로에 직접 영향을 주게 되는 점을 적용함으로써 설명될 수 있었다. 두 번째 파트에서는 그래핀에서의 스핀완화 현상에 대하여 논의하였다. 그래핀은 고유한 스핀-궤도 상호작용과 초미세 상호작용이 작아서 스핀트로닉스를 구현함에 있어서 매우 좋은 물질로 기대되어 왔다. 그러나 기존의 실험적 연구에서 얻어진 스핀완화 길이는 (1~2 μm) 그래핀의 고유한 특성만을 고려한 이론적인 예측값보다 매우 작았고, 이러한 현상은 전하 산란체와 같은 외부적인 요소가 Elliot-Yafet (EY) 메커니즘이나 D'yakonov-Perel (DP) 메커니즘과 결부되어 만들어내는 것으로 생각되고 있다. 본 연구에서는 이러한 그래핀에서의 스핀완화 효과에 영향을 주는 요소를 밝혀내기 위하여 기존의 연구와는 두 가지 면에서 차별을 두었다. 먼저 그래핀의 전하 운반자가 전체적으로 back-gate에 의해 제어될 뿐만 아니라 부분적으로 top-gate에 의해 제어될 수 있도록 시료를 구성하였고, 다음으로 좀 더 넓은 범위의 운반자 밀도에서 Hanle 효과를 분석하였다. 스핀 시그널을 여러 형태의 back-gate와 top-gate 조합에 대하여 분석한 결과 국소적으로 형성된 전기장이 그래핀에서의 스핀완화에 큰 영향을 주지 않는 것으로 밝혀졌다. 그러나 Hanle 효과 분석을 통하여 전하 산란체와의 충돌효과가 EY 메카니즘에 의해 그래핀에서의 스핀완화에 큰 영향을 주는 것을 볼 수 있었다. 특히, 기존의 EY 메커니즘과 관련된 연구와 달리 그래핀에서 EY 메카니즘을 지배하는 요소는 운반자 확산도가 아닌 전기 전도도임을 보였다.

Investigation of the transport properties in mesoscopic system is very fascinatingresearch area in modern condensed matter physics. In particular, the quantummechanical properties such as fluctuations around averaged physical properties,interference effect, and quantized physical parameters by the carrier confinementdetermine the transport properties in mesoscopic system. Therefore, the study oftransport properties in the mesoscopic system has been a useful tool to advanceunderstanding the physics of condensed matter systems such as semiconductors,metals, insulators, superconductors, and recently discovered graphene. This thesis is for the transport studies in mesoscopic systems, where two differentmaterials are used. The thesis is composed of two parts. The first part is onquantum mechanical charge transport properties in GaAs/AlGaAs two-dimensionalelectron gas (2DEG) system. And the second part is on spin transport propertiesin graphene. In the first part, the studies with quantum point contact (QPC) and interferometerfabricated on the GaAs/AlGaAs 2DEG system are discussed. The studieswith QPC is on the 0.7 structure. In the measured conductance through the quantumpoint contact, usually anomalous plateau-like shoulder feature around 0.7 ×2e2/h as well as quantized conductance step by 2e2/h is observed. There havebeen many attempts to resolve the 0.7 structure in both experiment and theory.Among those, spontaneous spin polarization and Kondo model have been consideredto be most relevant. In this study I focused on resolving the Kondo model. Forthe purpose of that a quantum dot structure, instead of simple QPC, is fabricated.The results demonstrated that the interference effect as well as electron-electroninterference effect should be considered to resolve the 0.7 structure. Next, thestudies with interferometer is on the beating of Aharonov-Bohm (AB) oscillation.Usually, the AB oscillation measured in a mesoscopic interferometer often showsa beating, which results in split of h/e peak in the Fourier spectrum. Some studiesargue that the features are from Berry-phase pick-up by spin-orbit interactionbecause the materials used in the studies have strong spin-orbit interaction. Inthis study with GaAs/AlGaAs 2DEG, with negligible spin-orbit interaction, I alsoobserved similar features with those of previous studies. It was demonstrated thatall the features could be explained by the effect induced by a finite width of theinterferometer path. In the second part, the investigation of spin relaxation using a nonlocal spinvalve scheme in graphene is discussed. Graphene has been expected a goodcandidate-material for the spintronics owing to its low intrinsic spin-orbit and hyperfineinteractions. However previous spin injection experiments in graphene havereported one order of magnitude smaller spin relaxation length (1∼2 μm) than thetheoretically predicted value based on intrinsic properties of graphene. It was attributedto the spin relaxation due to Elliot-Yafet (EY) mechanism. I also studiedthe spin relaxation in graphene but with two differences from previous studies.Firstly, I attached a partially-covered top-gate as well as a back-gate, and secondly,the Hanle effect analysis was done in a wider range of the carrier density.The measurement of spin signal demonstrated a robust spin relaxation in bothmonopolar and bipolar junctions that are formed by the combination of top andback gating. The Hanle effect analysis with neutralized top-gate demonstratesthat the most relevant source of spin relaxation in diffusive graphene is the momentumscatterers associated with the EY mechanism. In addition, unlike previousstudies, our analysis indicates that the principal governing factor of EY mechanismin graphene is the electrical conductivity rather than the carrier diffusivity.