Al0.6Ga0.4N/GaN/Al0.3Ga0.7N/Al0.6Ga0.4N量子阱中的Rashba自旋劈裂

正如人们所知, 可以通过电场或者设计非对称的半导体异质结构来调控体系的结构反演不对称性(SIA)和Rashba自旋劈裂. 本文研究了Al_0.6Ga_0.4N/GaN/Al_0.3Ga_0.7N/Al_0.6Ga_0.4N量子阱中第一子带的Rashba 系数和Rashba自旋劈裂随Al_0.3Ga_0.7N插入层(右阱)的厚度w_s以及外加电场的变化关系, 其中GaN层(左阱)的厚度为40-w_s Å. 发现随着w_s的增加, 第一子带的Rashba系数和Rashba自旋劈裂首先增加, 然后在w_s>20 Å 时它们迅速减小, 但是w_s>30 Å时Rashba自旋劈裂减小得更快, 因为此时k_f也迅速减小. 阱层对Rashba系数的贡献最大, 界面的贡献次之且随w_s变化不是太明显, 垒层的贡献相对比较小. 然后, 我们假w_s=20 Å, 发现外加电场可以很大程度上调制该体系的Rashba系数和Rashba自旋劈裂, 当外加电场的方向同极化电场方向相同(相反)时, 它们随着外加电场的增加而增加(减小). 当外加电场从-1.5×10⁸ V·m^-1到1.5×10⁸ V· m^-1变化时, Rashba系数随着外加电场的改变而近似线性变化, Rashba自旋劈裂先增加得很快, 然后近似线性增加, 最后缓慢增加. 研究结果表明可以通过改变GaN层和Al_0.3Ga_0.7N层的相对厚度以及外加电场来调节Al_0.6Ga_0.4N/GaN/Al_0.3Ga_0.7N/Al_0.6Ga_0.4N量子阱中的Rashba 系数和Rashba自旋劈裂, 这对于设计自旋电子学器件有些启示.     

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。     

InAlAs/InGaAs/InAlAs量子阱高迁移率二维电子气系统中的反弱局域效应研究

研究了Si 重δ 掺杂In_0.52Al_0.48As/In_0.53Ga_0.47As/In_0.52Al_0.48As单量子阱内高迁移率二维电子气系统中的反弱局域效应. 研究表明，强的Rashba自旋轨道相互作用来源于量子阱高的结构反演不对称. 高迁移率系统中，粒子的运动基于弹道输运而非扩散输运. 因此，旧的理论模型不能用于拟合实验结果. 由于最新的模型在实际拟合中过于复杂，一种简单可行的近似用于处理实验结果，并获得了自旋分裂能Δ₀和自旋轨道耦合常数α两个重要的物理参数. 该结果与对纵向电阻的Shubnikov-de Haas—SdH振荡分析获得的结果一致. 高迁移率系统中的反弱局域效应研究表明，发展有效的反弱局域理论模型，对于利用Rashba自旋轨道相互作用来设计自旋器件尤为重要.     

二维量子点中极化子的自旋弛豫

在考虑Rashba自旋-轨道耦合的条件下, 采用二次幺正变换和变分方法研究了二维抛物量子点中由于电子与体纵光学声子的耦合作用形成的极化子在基态Zeeman分裂能级上的自旋弛豫过程.这一过程主要是通过吸收或发射一个形变势或压电声学声子完成.具体分析了强、弱耦合两种极限下极化子自旋弛豫率与外磁场、量子点半径、Landau因子参数、Rashba自旋轨道耦合参数的变化关系. 关键词： 自旋弛豫 极化子 Rashba自旋轨道耦合 量子点     

Rashba自旋-轨道相互作用影响下量子盘中强耦合磁极化子性质的研究

本文基于Lee-Low-Pines幺正变换法,采用Tokuda改进的线性组合算符法研究了Rashba自旋-轨道相互作用效应下量子盘中强耦合磁极化子的性质.结果表明,磁极化子的相互作用能Eint的取值随量子盘横向受限强度ω0、外磁场的回旋频率ωc、电子-LO声子耦合强度α和量子盘厚度L的变化均与磁极化子的状态性质密切相关;磁极化子的平均声子数N随ωc,ω0和α的增加而增大,随L的增加而振荡减小;在Rashba自旋-轨道相互作用效应影响下磁极化子的有效质量将劈裂为m*+,m*-两种,它们随ωc,ω0和α的增加而增大,随L的增加而振荡减小;在研究量子盘中磁极化子问题时,电子-LO声子耦合和Rashba自旋-轨道相互作用效应的影响不可忽略,但Rashba自旋-轨道相互作用和极化子效应对磁极化子的影响只有在电子运动的速率较慢时显著.     

多层结构双自旋过滤隧道结中的电子输运特性

在转移矩阵方法及Mireles和Kirczenow的量子相干输运理论的基础上,研究了正常金属层/磁性半导体层/非磁绝缘层/磁性半导体层/正常金属层型双自旋过滤隧道结中Rashba自旋轨道耦合效应和自旋过滤效应对自旋相关输运的影响.讨论了隧穿磁电阻（TMR）、隧穿电导与各材料层厚度、Rashba自旋轨道耦合强度以及两磁性半导体中磁矩的相对夹角θ之间的关系.研究表明：含磁性半导体层的双自旋过滤隧道结由于磁性半导体层的自旋过滤效应和Rashba自旋轨道耦合作用可获得极大的TMR值.另外TMR和隧穿电导随着Rashba自旋轨道耦合强度的变化而振荡,振荡周期随Rashba自旋轨道耦合强度的增大逐渐减小. 关键词： 双自旋过滤隧道结 Rashba自旋轨道耦合 隧穿磁电阻 隧穿电导     

Rashba自旋-轨道耦合下二维双极化子的基态性质

在考虑Rashba自旋-轨道耦合效应下,基于Lee-Low-Pines变换,采用Pekar型变分法研究了量子点中双极化子的基态性质.数值结果表明,在电子-声子强耦合(耦合常数α6)条件下,量子点中形成稳定双极化子结构的条件(结合能E_b0)自然满足;双极化子的结合能E_b随量子点受限强度ω_0、介质的介电常数比η和电子-声子耦合强度α的增大而增加,随Rashba自旋-轨道耦合常数αR的增加表现为直线增加和减小两种截然相反的情形;Rashba效应使双极化子的基态能量分裂为E(↑↑),E(↓↓)和E(↑↓)三条能级,分别对应两电子的自旋取向为"向上"、"向下"和"反平行"三种情形;基态能量的绝对值|E|随η和α的增加而增大,随αR的增加表现为直线增加和减小两种截然相反的情形;在双极化子的基态能量E中,电子-声子耦合能所占据的比例明显大于Rashba自旋-轨道耦合能所占比例,但电子-声子耦合与Rashba自旋-轨道耦合间相互渗透、彼此影响显著.     

相对论谐振子下的自旋和赝自旋轨道伙伴态劈裂

通过求解具有谐振子势的径向标量势与矢量势的Dirac方程, 分别分析了原子核中赝自旋和自旋双重态的能级劈裂和波函数劈裂随着谐振子的振动频率参数ω和描述谐振子势阱底偏离中心参数r₀的变化关系. 研究发现, 这些参数对于赝自旋和自旋双重态的能级劈裂和波函数劈裂都有着显著的影响. 此外, 也研究了能级劈裂和波函数劈裂随着量子数的变化关系. 由于参数ω与核子数有关, 而参数r₀与形变核有关, 所以以这些参数为变量对于赝自旋劈裂和自旋劈裂的研究是有意义的, 研究的结果至少可以定性地应用到大部分原子核中.     

Cs2 NaMF6(M=Al,Ga):Cr3+络合分子体系局域结构和基态分裂的理论研究

采用双自旋轨道耦合系数模型并结合完全能量矩阵的方法对Cs₂NaMF₆(M=Al, Ga):Cr³⁺ 体系中Cr³⁺ 离子的基态分裂和局域结构进行了研究.通过模拟光谱和EPR谱确定了Cr³⁺ 取代 M³⁺ 形成的两种占位结构的畸变角,发现用双自旋轨道耦合系数模型与单自旋轨道耦合系数模型计算出的畸变角Δθ存在较大的差异.这表     

Effect of well thickness on the Rashba spin splitting and intersubband spin-orbit coupling in AlGaN/GaN/AlGaN quantum wells with two subbands

By projecting the characteristic equation into the subspace of the conduction band, the Rashba spin splitting coefficient for the first two subbands (α₁, α₂) and the intersubband spin-orbit coupling coefficient (η₁₂) in AlGaN/GaN quantum well structure are obtained. Then sizable α₁, α₂ and η₁₂ in QWs are calculated by solving the Schrödinger and Poisson equations self-consistently. We find that the internal electric field is crucial for considerable spin-orbit coupling effect in III-nitride QWs and the spin-orbit coupling coefficient can be greatly modulated by the well thickness. Compared with the Rashba coefficient, the intersubband spin-orbit coupling coefficient is basically of the same order of magnitude. The results show the great possibility of spin manipulation in low-dimensional semiconductors, and III-nitride QWs are candidates for the design of spintronic devices.     

Gate tunable Rashba spin-orbit coupling at CaZrO3/SrTiO3 heterointerface

High mobility quasi two-dimensional electron gas (2DEG) found at the CaZrO₃/SrTiO₃ nonpolar heterointerface is attractive and provides a platform for the development of functional devices and nanoelectronics. Here we report that the carrier density and mobility at low temperature can be tuned by gate voltage at the CaZrO₃/SrTiO₃ interface. Furthermore, the magnitude of Rashba spin-orbit interaction can be modulated and increases with the gate voltage. Remarkably, the diffusion constant and the spin-orbit relaxation time can be strongly tuned by gate voltage. The diffusion constant increases by a factor of ～ 19.98 and the relaxation time is reduced by a factor of over three orders of magnitude while the gate voltage is swept from -50 V to 100 V. These findings not only lay a foundation for further understanding the underlying mechanism of Rashba spin-orbit coupling, but also have great significance in developing various oxide functional devices.     

Dependence of Spin-orbit Parameters in AlxGa1-xN/GaN Quantum Wells on the Al Composition of the Barrier

In this paper, we obtain considerable spin-orbit (SO) parameters in Al_xGa_1-xN/GaN quantum wells (QWs) with sheet carrier concentration N_s =120×10 ¹¹/cm². With increasing Al content (x) of the barrier, the SO parameters increase as a whole, and the two major contributions are found to be the decrease of the expansion region of the envelope functions and the increase of the polarized electric field in the well. Compared with the Rashba parameters for the first two subbands, the intersubband SO parameter is a bit smaller and varies more slowly with x. The results indicate the SO parameters, especially the Rashba parameters can be engineered by the Al composition of the barrier, which may be helpful to the spin manipulation of III-nitride low-dimensional heterostructures.     

对称抛物势阱磁性隧道结中的自旋输运及磁电阻效应

研究了两端具有铁磁接触的对称抛物势阱磁性隧道结(F/SPW/F)中自旋相关的隧穿概率和隧穿磁电阻,讨论了量子尺寸效应和Rashba 自旋轨道耦合作用对自旋极化输运特性的影响.研究结果表明:隧穿概率和隧穿磁电阻随抛物势阱宽度的增加发生周期性的振荡.抛物势阱深度的增加减小了隧穿概率和隧穿磁电阻的振荡频率.Rashba 自旋轨道耦合强度的增加加大了隧穿概率和隧穿磁电阻的振荡频率.隧穿概率和隧穿磁电阻的振幅和峰谷比强烈依赖于两铁磁电极中磁化方向的夹角. 关键词： 磁性隧道结 Rashba 自旋轨道耦合 隧穿概率 隧穿磁电阻     

Intersubband spin-orbit coupling and spin splitting in symmetric quantum wells

In semiconductors with inversion asymmetry, spin-orbit coupling gives rise to the well-known Dresselhaus and Rashba effects. If one considers quantum wells with two or more conduction subbands, an additional, intersubband-induced spin-orbit term appears whose strength is comparable to the Rashba coupling, and which remains finite for symmetric structures. We show that the conduction band spin splitting due to this intersubband spin-orbit coupling term is negligible for typical III-V quantum wells.     

Theoretical study of spin-forbidden cooling transitions of indium hydride using ab initio methods

The feasibility of spin-forbidden cooling of the In H molecule is investigated based on ab initio quantum chemistry calculations. The potential energy curves for the X~1Σ_(0~+)~+, a~3Π_~(0~-), a~3Π_(0~+), a~3Π_1, a~3Π_2, A~1Π_1, 1~3Σ_(0~-)~+, and 1~3Σ_1~+states of In H are obtained based on multi-reference configuration interaction plus the Davidson corrections method. The calculated spectroscopic constants are in good agreement with the available experimental data. In addition, the influences of the active space and spin–orbit coupling effects on the potential energy curves and spectroscopic constants are also studied. For Re of a~3Π_(0~-), a~3Π_(0~+), a~3Π_1, and a~3Π_2 states, the error from large active space is small. The potential energy curve of the A~1Π_1state is not smooth for small active space. The spin–orbit coupling effects have great influences on the potential well depth and equilibrium internuclear distance of the A~1Π state. The Franck–Condon factors and radiative lifetimes are obtained on the basis of the transition dipole moments of the a~3Π_(0~+) → X~1Σ_(0~+)~+, a~3Π_1 → X~1Σ_(0~+)~+, and A~1Π_1 → X~1Σ_(0~+)~+ transitions. Our calculation indicates that the a~3Π_1( ν'= 0) → X~1Σ_(0~+)~+(ν = 0) transition provides a highly diagonally distributed Franck–Condon factor and a short radiative lifetime for the a3Π1 state, which can ensure rapid and efficient laser cooling of In H.The proposed laser drives a~3Π_1 → X~1Σ_(0~+)~+ transitions by using three wavelengths.     

负带隙HgCdTe体材料的磁输运特性研究

通过单晶生长了Cd组分为0.1的p型HgCdTe体材料,并制备了具有倒置型能带序的HgCdTe场效应器件.通过磁输运测试,在负带隙HgCdTe体材料中观察到明显的量子霍尔平台效应和Shubnikov-de Haas(SdH)振荡效应,证明样品具有较好的质量.利用SdH振荡对1/B关系的快速傅里叶变换,得到了样品的零场自旋分裂能约为26.55 meV,证明样品中存在强自旋-轨道耦合作用.进一步分析SdH中的拍频节点估算了样品中的有效g因子约为–11.54.