介观物理的粒子自旋轨道耦合和量子几何相位

本文较系统地但并非全面地讨论粒子的自旋轨道耦合。从基本概念到在介观物理的一些应用,特别着重讨论了自旋轨道耦合和量子几何相位的关系,也从作者的观点评论现代文献的一些有关问题和概述作者及其研究合作者的一些工作。本文讨论很大部分内容并不局限在介观尺度,而是相当普通的,可供物理各个领域研究参考。     

存在自旋轨道耦合的介观小环中的持续自旋流

文章作者研究了存在自旋轨道耦合的介观小环的平衡态性质.此前人们已经知道,在有磁通穿过的介观小环中,绕环运动的电子会产生一附加的Berry相位而导致持续电流;同样地,在仅有自旋轨道耦合的体系中,电子绕环运动也应当会产生附加的自旋Berry相位,进而驱动持续自旋流.文章作者通过对一个有正常区和自旋轨道耦合区的复合小环的计算,结果表明,无电流伴随的纯持续自旋流的确存在.文章作者指出,这持续自旋流描述真实的自旋运动,并且它能被实验观测.     

自旋轨道耦合效应及其应用研究

讨论了自旋轨道耦合效应的物理起源,介绍了两种不同性质的自旋轨道耦合效应,具体研究了磁性隧道结中自旋轨道耦合效应对电导的影响.     

自旋轨道耦合作用的等效磁场

自旋与电荷一样,是电子的固有属性,电子的周期性轨道运动产生的磁场与电子的自旋磁矩相互作用,这种磁相互作用就是自旋轨道相互作用。在原子物理学中,这种自旋轨道作用会影响原子光谱的精细结构,然而教材中缺少自旋轨道耦合作用在二维半导体材料中的微观描述。本文将引入Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合作用的哈密顿量,研究单电子在无外场下二维平面内运动,讨论一种或者两种自旋轨道耦合的哈密顿量表示。通过自旋与等效磁场耦合的塞曼能量表示,本文计算了本征态下不同自旋轨道耦合作用下的等效磁场,从而有助于探索二维半导体材料中不同自旋轨道耦合作用下的物理特性。     

金属表面Rashba自旋轨道耦合作用研究进展

自旋轨道耦合是电子自旋与轨道相互作用的桥梁, 它提供了利用外电场来调控电子的轨道运动、进而调控电子自旋状态的可能. 固体材料中有很多有趣的物理现象, 例如磁晶各向异性、自旋霍尔效应、拓扑绝缘体等, 都与自旋轨道耦合密切相关. 在表面/界面体系中, 由于结构反演不对称导致的自旋轨道耦合称为Rashba自旋轨道耦合, 它最早在半导体材料中获得研究, 并因其强度可由栅电压灵活调控而备受关注, 成为电控磁性的重要物理基础之一. 继半导体材料后, 金属表面成为具有Rashba自旋轨道耦合作用的又一主流体系. 本文以Au(111), Bi(111), Gd(0001)等为例综述了磁性与非磁性金属表面Rashba自旋轨道耦合的研究进展, 讨论了表面电势梯度、原子序数、表面态波函数的对称性, 以及表面态中轨道杂化等因素对金属表面Rashba自旋轨道耦合强度的影响. 在磁性金属表面, 同时存在Rashba自旋轨道耦合作用与磁交换作用, 通过Rashba自旋轨道耦合可能实现电场对磁性的调控. 最后, 阐述了外加电场和表面吸附等方法对金属表面Rashba自旋轨道耦合的调控. 基于密度泛函理论的第一性原理计算和角分辨光电子能谱测量是金属表面Rashba自旋轨道耦合的两大主要研究方法, 本文综述了这两方面的研究结果, 对金属表面Rashba自旋轨道耦合进行了深入全面的总结和分析.     

串型耦合双量子点处于自旋阻塞区时磁输运性质的研究

使用双杂质安德森模型的哈密顿量,从理论上研究了串型耦合双量子点系统处于自旋阻塞区时的磁输运性质,并用主方程近似方法求解了哈密顿量.结果表明,自旋轨道耦合作用导致的双量子点间的自旋反转隧穿能够解除系统的自旋阻塞.同时也研究了超精细相互作用导致的在量子点内自旋反转和双量子点之间的自旋关联对系统的磁输运性质的影响,取得了一些有价值的结果,并对相关的物理问题进行了讨论.     

半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应

本文主要评述和介绍半导体微结构中自旋轨道耦合的研究和最近的研究进展。我们细致地讨论了半导体微结构中自旋轨道耦合的物理起源和窄带隙半导体量子阱中的自旋霍尔效应。我们发现目前国际上广泛采用的线性Rashba模型在较大的电子平面波矢处失效：即自旋轨道耦合导致的能带自旋劈裂不再随电子波矢的增加而增加,而是开始下降,即出现强烈的非线性行为。这种非线性的行为起源于导带和价带间耦合的减弱。这种非线性行为还会导致电子的D’yakonov Perel’自旋弛豫速率在较高能量处下降,与线性模型的结果完全相反。在此基础上,我们构造统一描述电子和空穴自旋霍尔效应的理论框架。我们的方法可以非微扰地计入自旋轨道耦合对本征自旋霍尔效应的影响。我们将此方法应用于强自旋轨道耦合的情形,即窄带隙CdHgTe／CdTe半导体量子阱。我们发现调节外电场或量子阱的阱宽可以作为导致量子相变和本征自旋霍尔效应的开关。我们的工作可能会为区别和实验验证本征自旋霍尔效应提供物理基础。     

半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应

本文主要评述和介绍半导体微结构中自旋轨道耦合的研究和最近的研究进展。我们细致地讨论了半导体微结构中自旋轨道耦合的物理起源和窄带隙半导体量子阱中的自旋霍尔效应。我们发现目前国际上广泛采用的线性Rashba模型在较大的电子平面波矢处失效:即自旋轨道耦合导致的能带自旋劈裂不再随电子波矢的增加而增加,而是开始下降,即出现强烈的非线性行为。这种非线性的行为起源于导带和价带间耦合的减弱。这种非线性行为还会导致电子的D’yakonov-Perel’自旋弛豫速率在较高能量处下降,与线性模型的结果完全相反。在此基础上,我们构造统一描述电子和空穴自旋霍尔效应的理论框架。我们的方法可以非微扰地计入自旋轨道耦合对本征自旋霍尔效应的影响。我们将此方法应用于强自旋轨道耦合的情形,即窄带隙CdHgTe/CdTe半导体量子阱。我们发现调节外电场或量子阱的阱宽可以作为导致量子相变和本征自旋霍尔效应的开关。我们的工作可能会为区别和实验验证本征自旋霍尔效应提供物理基础。     

介观物理系统的统计物理和持续电流

本文讨论介观系统的统计物理一些基本概念 ,在一般教科书和文献都很少有解释到的。我们讨论自平均效应 ,它在介观与宏观系统之不同 ,对杂质作系统平均后热力学量在介观与宏观系之不同。我们较详细引介用格林函数和图解法计算介观持续电流。同样 ,我们强调宏观系统和介观系统不同之处 ,对介观物理系统从计算热力学量的角度来看需要特别考虑因素。     

自旋轨道耦合和自旋流的研究若干进展

近十年来,国内外科学工作者对自旋轨道耦合和自旋流作了很多深入的研究.文章介绍该领域的一些重要进展以及它的发展情况,包括介绍由自旋轨道耦合所引起的内在自旋霍尔效应和持续自旋流、自旋流的产生、自旋流的定义以及自旋流产生电场等.最后也讨论一些有待于解决的课题,以及对该领域的展望.     

The Aharonov–Bohm effect in noncommutative quantum mechanics

The Aharonov–Bohm effect in noncommutative (NC) quantum mechanics is studied. First, by introducing a shift for the magnetic vector potential we give the Schrödinger equations in the presence of a magnetic field on NC space and NC phase space, respectively. Then, by solving the Schrödinger equations, we obtain the Aharonov–Bohm phase on NC space and NC phase space, respectively.     

介观系统中的几何位相和持续流

介观系统中的量子相干效应是一个在理论和应用方面具有重大意义的研究课题。本文系统全面地介绍包括Ａｈａｒｏｎｏｖ－Ｂｏｈｍ效应和Ａｈａｒｏｎｏｖ－Ｃａｓｈｅｒ效应在内的几何位相在介观系统中引发的诸如持续流等一系列新奇现象及其成因,详细讨论这些几何位相间的相互关系,评述了实验和理论研究的最新进展     

Holonomic quantum computation based on the scalar Aharonov–Bohm effect for neutral particles and linear topological defects

We discuss holonomic quantum computation based on the scalar Aharonov–Bohm effect for a neutral particle. We show that the interaction between the magnetic dipole moment and external fields yields a non-abelian quantum phase allowing us to make any arbitrary rotation on a one-qubit. Moreover, we show that the interaction between the magnetic dipole moment and a magnetic field in the presence of a topological defect yields an analogue effect of the scalar Aharonov–Bohm effect for a neutral particle, and a new way of building one-qubit quantum gates.     

教学研究:介绍量子力学几个基本概念——兼答《关于量子几何相位的评注》中的几个主要问题

介绍了量子绝热定理的物理含义及成立的条件，认为有关主要献（Aharonov-Anandan,Bohm，孙昌璞等）的表述是正确的，而《关于量子几何相位的评注》^[1]（以下简称《评注》）相应的表述不完全正确。在此基础上，认为这些献和教材（R.Shankar)得出的涉及Berry绝热相位的一些论述（不含Berry绝热相因子的瞬时能量本征态不满足含时Schroedinger方程等）也是正确的，而《评注》的论述与此相反。《评注》认为只有γn(C)才是Berry相位。本作则倾向于把γn（t）叫做Berry绝热相位，而把γn（C）=γn（T）-γn（0）叫做几何相位（geometric phase)^[2]。     

Geometric Phase for Optical Free Induction Decay

Geometric phase is investigated for optical free induction decay with a modified Bloch equation by establishing in connecting density matrices with nonunit vector ray in a complex projective Hilbert space. Under the limiting of pure state, our approach may give out the Berry phase and Aharonov and Anandan one. Furthermore, by comparing our approach with the kinematic one, we find that, after a suitable modification to the kinematic approach, both differences are very small for the Berry phase of mixed states in the optical free induction decay under the case of quasicyclic evolution.     

Line of magnetic monopoles and an extension of the Aharonov–Bohm effect

In the Landau problem on the two-dimensional plane, physical displacement of a charged particle (i.e., magnetic translation) can be induced by an in-plane electric field. The geometric phase accompanying such magnetic translation around a closed path differs from the topological phase of Aharonov and Bohm in two essential aspects: The particle is in direct contact with the magnetic field and the geometric phase has an opposite sign from the Aharonov–Bohm phase. We show that magnetic translation on the two-dimensional cylinder implemented by the Schrödinger time evolution truly leads to the Aharonov–Bohm effect. The magnetic field normal to the cylinder’s surface corresponds to a line of magnetic monopoles of uniform density whose simulation is currently under investigation in cold atom physics. In order to characterize the quantum problem, one needs to specify the value of the magnetic flux (modulo the flux unit) that threads but not in touch with the cylinder. A general closed path on the cylinder may enclose both the Aharonov–Bohm flux and the local magnetic field that is in direct contact with the charged particle. This suggests an extension of the Aharonov–Bohm experiment that naturally takes into account both the geometric phase due to local interaction with the magnetic field and the topological phase of Aharonov and Bohm.     

Aharonov–Bohm oscillations caused by non-topological surface states in Dirac nanowires

One intriguing fingerprint of surface states in topological insulators is the Aharonov–Bohm effect in magnetoconductivity of nanowires. We show that surface states in nanowires of Dirac materials (bismuth, bismuth antimony, and lead tin chalcogenides) being in non-topological phase, exhibit the same effect as amendment to magnetoconductivity of the bulk states. We consider a simple model of a cylindrical nanowire, which is described by the 3D Dirac equation with a general T-invariant boundary condition. The boundary condition is determined by a single phenomenological parameter whose sign defines topological-like and non-topological surface states. The non-topological surface states emerge outside the gap. In a longitudinal magnetic field B, they lead to Aharonov–Bohm amendment for the density of states and correspondingly for the conductivity of the nanowire. The phase of these magnetic oscillations increases with B from π to 2π.