Modulated Rashba interaction in a quantum wire: Spin and charge dynamics

Abstract

It was recently shown that a spatially modulated Rashba spin-orbit coupling in a quantum wire drives a transition from a metallic to an insulating state when the wave number of the modulation becomes commensurate with the Fermi wave length of the electrons in the wire [G. I. Japaridze et al., Phys. Rev. B 80 041308(R) (2009)]. On basis of experimental data from a gated InAs heterostructure it was suggested that the effect may be put to practical use in a future spin transistor design. In the present article we revisit the problem and present a detailed analysis of the underlying physics. First, we explore how the build-up of charge density wave correlations in the quantum wire due to the periodic gate configuration that produces the Rashba modulation influences the transition to the insulating state. The interplay between the modulations of the charge density and that of the spin-orbit coupling turns out to be quite subtle: Depending on the relative phase between the two modulations, the joint action of the Rashba interaction and charge density wave correlations may either enhance or reduce the Rashba current blockade effect. Secondly, we inquire about the role of the Dresselhaus spin-orbit coupling that is generically present in a quantum wire embedded in semiconductor heterostructure. While the Dresselhaus coupling is found to work against the current blockade of the insulating state, the effect is small in most materials. Using an effective field theory approach, we also carry out an analysis of effects from electron-electron interactions, and show how the single-particle gap in the insulating state can be extracted from the more easily accessible collective charge and spin excitation thresholds. The smallness of the single-particle gap together with the anti-phase relation between the Rashba and chemical potential modulations pose serious difficulties for realizing a Rashba-controlled current switch in an InAs-based device. Some alternative designs are discussed.

Intrinsic spin Hall effect in systems with striped spin-orbit coupling

“…One should also consider that our analysis is based on a simple one-band model, while the SOC in the 2DEG in the LAO/STO involves several bands [14,31,32]. Of course, the basic ideas of this work could be tested and hopefully implemented in other, perhaps simpler, systems involving heterostructures of semiconductors with modulated Rashba SOC which have been already discussed in the literature in different contexts [33][34][35].…”

Propagação eletrônica em um fio quântico submetido a uma interação spin-órbita e a um potencial químico modulados

“…Datta e Das [4] propuseram um modelo de transistor que utiliza a spintrônica, que consiste em uma técnica em que os elétrons com spin polarizados são injetados a partir de um emissor ferromagnético dentro de um fio quântico modelado em uma heteroestrutura semicondutora que está sujeito a um campo externo. Porém, essa técnica de injeção de spin não tem sido eficiente para todas as propriedades esperadas desse transistor intitulado Datta-Das [5], e novas técnicas de injeção de spins tem sido estudadas [6] [7].…”

“…al. [5] propuseram um modelo de dispositivo controlável por uma modulação externa, em que se dispensa a necessidade de injetar elétrons com spin polarizados. Verificou-se que o acoplamento spin-órbita Rashba suavemente modulado em um fio quântico impulsiona uma transição de fase de metal para isolante, quando o número de onda da modulação torna-se proporcional ao comprimento de onda de Fermi no fio.…”

“…Quando são carregadas, se produz uma modulação periódica do acoplamento Rashba, juntamente com uma modulação do potencial químico local no fio. A modulação será suavemente variada ao longo do fio, o que reflete a extensão finita dos eletrodos [5].…”

“…Tomando µ mod > 0, o acoplamento Rashba e o potencial químico modulado estão "em fase" quando γ R mod > 0, enquanto que para γ R mod < 0 as duas modulações estão fora de fase por π [5].…”