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電子は小さなこまのように振る舞い、磁場を放出します。 この性質を電子スピンと呼び、それは量子力学的現象です。 電子は地球上のすべての天然物質に存在しますが、反対方向を指すスピンの数が等しいため、それらの磁気効果はしばしば相殺されます。
しかし、たとえ物質が非磁性材料であっても、超短光パルスを当てることで、非常に短い時間だけ磁化することができます。 しかし、そのような材料ではフォノン‐スピン間の相互作用は弱すぎると考えられていたため、これまで誰もこの特性を利用して音を検出しようとはしていませんでした。
私たちは英国の共同研究者と一緒に、過渡的な電子スピンを使用して非常に短い超音波パルスを検出することを初めて実証しました。
半導体ガリウム砒素を基にした試料を使用します。この試料には、表面近くにいわゆる量子井戸と呼ばれる幅がわずか数ナノメートル（10-9 m）の非常に薄い層が20層含まれています（下図を参照してください）。 スピンポンプパルスと呼ばれる光パルスを使用して、量子井戸内に磁化された電子スピンの一時的な集団を生成します。
次に、別の光パルスを使用して、試料の反対側にピコ秒（1 ps = 10 -12 s）の超音波パルスを生成します。この超音波パルスは試料内を移動し、それよりも前に磁化されたスピンと量子井戸で相互作用します。 下の動画をご覧ください。
上の2つの図は、試料の構造と、量子井戸内でスピンが励起される領域、プローブ光パルスが当たる領域、フォノンが励起される領域の体積を示しています。 下のグラフは、ピコ秒超音波（フォノン）パルスが量子井戸を通過する結果として起こるプローブ光の偏光方向の変化を、時間の関数として示しています。 右下の図は、フォノンの検出には光子（光）とスピンが必要であることを模式的に示しています。 右下の図は、フォノンの検出にはフォトン（光）とスピンが必要であることを模式的に示しています。
次に、プローブ光と呼ばれる3番目の光パルスを使用します。 これは、量子井戸からの反射による光電場の方向（偏光）の小さな変化を測定します。 このプローブ光は、音（フォノン）とスピンが共に存在することに敏感であり、短い超音波パルスを記録していきます（上の図のグラフを参照してください）。
量子井戸20層を通過する超音波パルス（縦方向のひずみ）を示す動画。 試料の上面は、左側の位置0にあります。
電子スピンの存在下で検出されたフォノンパルスの形状を説明する光検出メカニズムの理論を開発しました（上のグラフの破線を参照してください）。
この研究は、フォノンと電子スピンの両方が存在する場合の超高速光変調の調査分野を切り開き、フォノンを介した超高速スピントロニクスのナノデバイス応用に新しい展望をもたらす可能性があります。
より詳しくは、 'Coherent phonon detection gated by transient spin-polarized electrons,' C. Li et al., Phys. Rev. B 103, L241201 (2021).をご覧ください。