We experimentally demonstrate ultralong spin lifetimes of electrons in the one-dimensional (1D) quantum limit of semiconductor nanowires. Optical probing of single wires of different diameters reveals an increase in the spin relaxation time by orders of magnitude as the electrons become increasingly confined until only a single 1D sub-band is populated after thermalization. We find the observed spin lifetimes of more than 200 ns to result from the robustness of 1D electrons against major spin relaxation mechanisms, highlighting the promising potential of these wires for long-range transport of coherent spin information.
References
1.
J.
Bleuse
, J.
Claudon
, M.
Creasey
, N. S.
Malik
, J.-M.
Gérard
, I.
Maksymov
, J.-P.
Hugonin
, and P.
Lalanne
, Phys. Rev. Lett.
106
, 103601
(2011
).2.
A. V.
Akimov
, A.
Mukherjee
, C. L.
Yu
, D. E.
Chang
, A. S.
Zibrov
, P. R.
Hemmer
, H.
Park
, and M. D.
Lukin
, Nature
450
, 402
(2007
).3.
R. F.
Oulton
, V. J.
Sorger
, T.
Zentgraf
, R.-M.
Ma
, C.
Gladden
, L.
Dai
, G.
Bartal
, and X.
Zhang
, Nature
461
, 629
(2009
).4.
E.
Garnett
and P.
Yang
, Nano Lett.
10
, 1082
(2010
).5.
F.
Patolsky
and C. M.
Lieber
, Mater. Today
8
, 20
(2005
).6.
H.
Zhang
, Ö.
Gül
, S.
Conesa-Boj
, M.
Nowak
, M.
Wimmer
, K.
Zuo
, V.
Mourik
, F. K.
de Vries
, J.
van Veen
, M. W. A.
de Moor
, J. D. S.
Bommer
, D. J.
van Woerkom
, D.
Car
, S. R.
Plissard
, E. P. A. M.
Bakkers
, M.
Quintero-Pérez
, M. C.
Cassidy
, S.
Koelling
, S.
Goswami
, K.
Watanabe
, T.
Taniguchi
, and L. P.
Kouwenhoven
, Nat. Commun.
8
, 16025
(2017
).7.
H.
Zhang
, C.-X.
Liu
, S.
Gazibegovic
, D.
Xu
, J. A.
Logan
, G.
Wang
, N.
van Loo
, J. D. S.
Bommer
, M. W. A.
de Moor
, D.
Car
, R. L. M.
Op het Veld
, P. J.
van Veldhoven
, S.
Koelling
, M. A.
Verheijen
, M.
Pendharkar
, D. J.
Pennachio
, B.
Shojaei
, J. S.
Lee
, C. J.
Palmstrøm
, E. P. A. M.
Bakkers
, S. D.
Sarma
, and L. P.
Kouwenhoven
, Nature
556
, 74
(2018
).8.
V. V.
Deshpande
, M.
Bockrath
, L. I.
Glazman
, and A.
Yacoby
, Nature
464
, 209
(2010
).9.
E. I.
Rashba
, Phys. Rev. B
86
, 125319
(2012
).10.
A. G.
Mal'shukov
and K. A.
Chao
, Phys. Rev. B
61
, R2413
(2000
).11.
A. A.
Kiselev
and K. W.
Kim
, Phys. Rev. B
61
, 13115
(2000
).12.
A. W.
Holleitner
, V.
Sih
, R. C.
Myers
, A. C.
Gossard
, and D. D.
Awschalom
, Phys. Rev. Lett.
97
, 036805
(2006
).13.
S.
Kettemann
, Phys. Rev. Lett.
98
, 176808
(2007
).14.
Y.
Kunihashi
, M.
Kohda
, and J.
Nitta
, Phys. Rev. Lett.
102
, 226601
(2009
).15.
P.
Wenk
and S.
Kettemann
, Phys. Rev. B
81
, 125309
(2010
).16.
P.
Altmann
, M. P.
Walser
, C.
Reichl
, W.
Wegscheider
, and G.
Salis
, Phys. Rev. B
90
, 201306
(2014
).17.
M.
Kammermeier
, P.
Wenk
, J.
Schliemann
, S.
Heedt
, and T.
Schäpers
, Phys. Rev. B
93
, 205306
(2016
).18.
M.
Schwemmer
, A.
Hanninger
, M.
Weingartner
, M.
Oltscher
, M.
Ciorga
, D.
Weiss
, D.
Schuh
, D.
Bougeard
, T.
Korn
, and C.
Schüller
, Appl. Phys. Lett.
109
, 172106
(2016
).19.
M.
Kammermeier
, P.
Wenk
, J.
Schliemann
, S.
Heedt
, T.
Gerster
, and T.
Schäpers
, Phys. Rev. B
96
, 235302
(2017
).20.
21.
S.
Furthmeier
, F.
Dirnberger
, J.
Hubmann
, B.
Bauer
, T.
Korn
, C.
Schüller
, J.
Zweck
, E.
Reiger
, and D.
Bougeard
, Appl. Phys. Lett.
105
, 222109
(2014
).22.
S.
Furthmeier
, F.
Dirnberger
, M.
Gmitra
, A.
Bayer
, M.
Forsch
, J.
Hubmann
, C.
Schüller
, E.
Reiger
, J.
Fabian
, T.
Korn
, and D.
Bougeard
, Nat. Commun.
7
, 12413
(2016
).23.
L.
Ahtapodov
, J.
Todorovic
, P.
Olk
, T.
Mjåland
, P.
Slåttnes
, D. L.
Dheeraj
, A. T. J.
van Helvoort
, B.-O.
Fimland
, and H.
Weman
, Nano Lett.
12
, 6090
(2012
).24.
N.
Vainorius
, S.
Lehmann
, A.
Gustafsson
, L.
Samuelson
, K. A.
Dick
, and M.-E.
Pistol
, Nano Lett.
16
, 2774
(2016
).25.
J. L.
Birman
, Phys. Rev.
114
, 1490
(1959
).26.
I.
Broser
and M.
Rosenzweig
, Phys. Rev. B
22
, 2000
(1980
).27.
M.
De Luca
, S.
Rubini
, M.
Felici
, A.
Meaney
, P. C. M.
Christianen
, F.
Martelli
, and A.
Polimeni
, Nano Lett.
17
, 6540
(2017
).28.
D. J.
Hilton
and C. L.
Tang
, Phys. Rev. Lett.
89
, 146601
(2002
).29.
T.
Korn
, Phys. Rep.
494
, 415
(2010
).30.
O.
Hildebrand
, E. O.
Goebel
, K. M.
Romanek
, H.
Weber
, and G.
Mahler
, Phys. Rev. B
17
, 4775
(1978
).31.
L.-X.
Zhai
, Y.
Wang
, and J.-J.
Liu
, J. Appl. Phys.
112
, 033709
(2012
).32.
S. D.
Sarma
and D. W.
Wang
, Phys. Rev. Lett.
84
, 2010
(2000
).33.
I.
Žutić
, J.
Fabian
, and S. D.
Sarma
, Rev. Mod. Phys.
76
, 323
(2004
).34.
J.
Fabian
, A.
Matos-Abiague
, C.
Ertler
, P.
Stano
, and I.
Žutić
, Acta Phys. Slovaca
57
, 565
(2007
); e-print arXiv:0711.1461.35.
E. I.
Rashba
and V. I.
Sheka
, New J. Phys.
17
, 050202
(2015
).36.
M.
Gmitra
and J.
Fabian
, Phys. Rev. B
94
, 165202
(2016
).37.
T.
Campos
, P. E.
Faria
,Jr. , M.
Gmitra
, G. M.
Sipahi
, and J.
Fabian
, Phys. Rev. B
97
, 245402
(2018
);T.
Campos
, P. E.
Faria
, Jr., M.
Gmitra
, G. M.
Sipahi
, and J.
Fabian
, e-print arXiv:1802.06734.38.
M.
Kammermeier
, P.
Wenk
, F.
Dirnberger
, D.
Bougeard
, and J.
Schliemann
, Phys. Rev. B
98
, 035407
(2018
).39.
40.
D. D.
Awschalom
, Physica E
10
, 1
(2001
).41.
R. I.
Dzhioev
, K. V.
Kavokin
, V. L.
Korenev
, M. V.
Lazarev
, B. Y.
Meltser
, M. N.
Stepanova
, B. P.
Zakharchenya
, D.
Gammon
, and D. S.
Katzer
, Phys. Rev. B
66
, 245204
(2002
).42.
R.
Hanson
, B.
Witkamp
, L. M. K.
Vandersypen
, L. H. W.
van Beveren
, J. M.
Elzerman
, and L. P.
Kouwenhoven
, Phys. Rev. Lett.
91
, 196802
(2003
).43.
M.
Römer
, J.
Hübner
, and M.
Oestreich
, Rev. Sci. Instrum.
78
, 103903
(2007
).44.
A. V.
Khaetskii
, D.
Loss
, and L.
Glazman
, Phys. Rev. Lett.
88
, 186802
(2002
).45.
R.
de Sousa
and S. D.
Sarma
, Phys. Rev. B
68
, 115322
(2003
).46.
G.
Salis
, D. D.
Awschalom
, Y.
Ohno
, and H.
Ohno
, Phys. Rev. B
64
, 195304
(2001
).47.
J.
Huang
, Y. S.
Chen
, A.
Ludwig
, D.
Reuter
, A. D.
Wieck
, and G.
Bacher
, Appl. Phys. Lett.
100
, 132103
(2012
).48.
J.
Lu
, M. J. R.
Hoch
, P. L.
Kuhns
, W. G.
Moulton
, Z.
Gan
, and A. P.
Reyes
, Phys. Rev. B
74
, 125208
(2006
).© 2019 Author(s).
2019
Author(s)
You do not currently have access to this content.
