東北大ら，半導体内の電子スピン波をSLMで制御

東北大学，筑波大学，東京理科大学は，プログラム可能な空間光変調器（SLM）を用いた構造化光を利用し，ガリウム・ヒ素（GaAs）/アルミニウム・ガリウム・ヒ素（AlGaAs）の量子井戸中に任意の電子スピン波を直接転写することに成功した（ニュースリリース）。

半導体量子井戸におけるスピン状態の制御は，低消費電力デバイスの実現に向けた重要な技術。特に，PSH状態は，スピン軌道相互作用を活用してスピン構造を形成し，長距離スピン伝播を可能にするため，次世代のスピントロニクスデバイスの基盤技術として注目されている。

従来，過渡スピン回折格子分光法（TSG）やポンプ・プローブカー回転顕微鏡（STRKR）と言った技術を用いた電子スピン波の生成が研究されてきた。しかし，TSG には光学素子により生成される電子スピン波の周期が固定されているため，電子スピン波の周期を変更する柔軟性に欠ける。またSTRKRには，一様な偏光を使用するため，空間スピン構造の形成に制限があった。

研究グループは，これらの問題を解決するため，SLMを用いた構造化光による電子スピン波の直接転写技術を開発した。

研究では，SLMを用いて光の偏光パターンを制御し，その偏光分布を半導体中のスピン偏極として転写する手法を開発した。具体的には，まず，SLMに周期的な位相変調信号を入力することで，空間的に45°直線偏光→左回り円偏光→−45°直線偏光→右回り円偏光が繰り返し配置された偏光パターンを生成した。

SLMによってプログラムされたこの周期的な偏光パターンをGaAs/AlGaAs量子井戸に照射し，周期構造を持つ電子スピン波を光励起した。生成された電子スピン波の状態はSTRKRを用いてそのスピン偏極をマッピングすることで確認した。この手法により，電子スピン波の波数，周期，空間構造を自由に制御できることを実証した。

この成果は，電子スピン波を利用した情報処理技術の高度化に貢献するだけでなく，磁気デバイスの高効率化を狙った磁性薄膜への応用や，遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）やペロブスカイト半導体の二次元物質への材料展開，ホログラフィックイメージングとの組み合わせによる光情報技術への応用も期待されるという。研究グループは，この技術を拡張することで，電子スピン波を利用した新しい情報演算技術の開発も視野に入るとしている。