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。     

超构材料中的光学量子自旋霍尔效应

电子的量子自旋霍尔效应的发现推进了当今凝聚态物理学的发展,它是一种电子自旋依赖的具有量子行为的输运效应.近年来,大量的理论和实验研究表明,描述电磁波场运动规律的麦克斯韦方程组内禀了光的量子自旋霍尔效应,存在于界面的倏逝波表现出强烈的自旋与动量关联性.得益于新兴的光学材料:超构材料(metamaterials)的发展,不仅能够任意设定光学参数,同时也能引入很多复杂的自旋-轨道耦合机理,让我们能够更加清晰地了解和验证其中的物理机理.本文对超构材料中量子自旋霍尔效应做了简要的介绍,内容主要包括真空中光的量子自旋霍尔效应的物理本质、电单负和磁单负超构材料能带反转导致的不同拓扑相的界面态、拓扑电路系统中光量子自旋霍尔效应等.     

Rashba自旋轨道耦合下square-octagon晶格的拓扑相变

本文研究了各向同性square-octagon晶格在内禀自旋轨道耦合、Rashba自旋轨道耦合和交换场作用下的拓扑相变,同时引入陈数和自旋陈数对系统进行拓扑分类.系统在自旋轨道耦合和交换场的影响下会出现许多拓扑非平庸态,包括时间反演对称破缺的量子自旋霍尔态和量子反常霍尔态.特别的是,在时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应中,无能隙螺旋边缘态依然能够完好存在.调节交换场或者填充因子的大小会导致系统发生从时间反演对称破缺的量子自旋霍尔态到自旋过滤的量子反常霍尔态的拓扑相变.边缘态能谱和自旋谱的性质与陈数和自旋陈数的拓扑刻画完全一致.这些研究成果为自旋量子操控提供了一个有趣的途径.     

缀饰格子中时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应

<正>研究了缀饰格子中的量子自旋霍尔效应,模型中同时考虑了Rashba自旋轨道耦合和交换场的作用.缀饰格子具有简立方对称性,以零能平带和单狄拉克锥结构为主要特点.在缀饰格子中,不论是实现量子自旋霍尔效应还是量子反常霍尔效应,都需要一个不为零的内禀自旋轨道耦合作用来打开一个完全的体能隙,这与石墨烯等六角格子模型有着很大的不同.在交换场破坏了时间反演对称性的情况下,以自旋陈数为标志的量子自旋霍尔效应仍然能够存在,边缘态和极化率的相关结果也证明了这一结论.结果表明自旋陈数比z2拓扑数在表征量子自旋霍尔效应方面有着更广泛的适用范围,相应的结论为利用磁场控制量子自旋霍尔效应提出了一个理论模型和依据.     

PbTe/PbSrTe半导体非对称量子阱中的Rashba效应

窄带隙半导体异质结构的自旋效应最近受到了国际上的很大关注.Ⅳ-Ⅵ族半导体具有各向异性和多能谷的特征,因此可以预期Rashba自旋效应在不同取向的Ⅳ-Ⅵ族半导体量子阱结构中存在显著差异.计算了多个取向的Pb_1-ySr_yTe/PbTe/Pb_1-xSr_xTe非对称量子阱中的Rashba分裂能,结果表明［100］取向的PbTe量子阱的Rashba分裂能在阱宽为5.0nm时 关键词： Ⅳ-Ⅵ族半导体 非对称量子阱 Rashba效应 自旋-轨道耦合分裂     

铁磁石墨烯体系的CT不变量子自旋霍尔效应

文章作者在垂直磁场作用下的铁磁石墨烯体系里预言了一种新类型的量子自旋霍尔效应.这量子自旋霍尔效应与自旋轨道耦合无关,体系也不具有时间反演不变性;但是有CT不变(C为电子-空穴变换、T为时间反演变换).由于量子自旋霍尔效应,体系的纵向电阻和自旋霍尔阻出现量子化平台.特别是,自旋霍尔阻的量子化平台有很强的抗杂质干扰能力.     

铁磁石墨烯体系的CT不变量子自旋霍尔效应

文章作者在垂直磁场作用下的铁磁石墨烯体系里预言了一种新类型的量子自旋霍尔效应.这量子自旋霍尔效应与自旋轨道耦合无关,体系也不具有时间反演不变性;但是有CT不变（C为电子-空穴变换、T为时间反演变换）.由于量子自旋霍尔效应,体系的纵向电阻和自旋霍尔阻出现量子化平台.特别是,自旋霍尔阻的量子化平台有很强的抗杂质干扰能力.     

自旋轨道耦合系统中的自旋流与自旋霍尔效应

作为自旋电子学的重要研究内容,如何在固态系统中产生、操控以及探测自旋流引起了研究人员的广泛兴趣。基于自旋轨道耦合的自旋霍尔效应为在非磁性半导体中产生自旋流提供了一种有效途径。然而,在具有自旋轨道耦合的系统中,自旋流并不守恒。如何理解这点并恰当地表述相应的连续性方程,成为自旋输运研究的基本问题之一。本文主要综述自旋轨道耦合系统中自旋流与自旋霍尔效应方面的研究进展。引入SU(2)规范势后,自旋流满足协变形式的连续性方程,该方程保证了SU(2)Kubo公式在不同规范固定下的自洽性。利用SU(2)场强张量,可以直接得到自旋密度和自旋流在SU(2)外场中受到的自旋力,该力在只有U(1)磁场时对应于Stern-Gerlach力。由于依赖杂质散射的外在自旋霍尔效应很难被利用,内在自旋霍尔效应的概念被提出:在非磁半导体中,U(1)电场会诱导出自旋流并导致系统边缘处的自旋积累。自旋霍尔效应已经在半导体和金属材料中被观察到。虽然在干净的二维电子气中自旋霍尔电导率是一普适常数e/8π,但杂质对它的影响却引起了人们的高度关注。通过引入退相干效应,自旋霍尔效应中杂质效应的一些令人困惑的理论结果,则得到清晰的解释。此外,本文还将介绍具有层间隧穿的双层二维电子气中的自旋输运现象。在能量简并点附近,自旋霍尔电导率和隧穿自旋电导率均会出现共振现象。当两层间的杂质势强度存在差异时,隧穿自旋电导率随门压的变化曲线呈现出非对称性,显示出自旋二极管效应。     

自旋轨道耦合系统中的自旋流与自旋霍尔效应

作为自旋电子学的重要研究内容,如何在固态系统中产生、操控以及探测自旋流引起了研究人员的广泛兴趣.基于自旋轨道耦合的自旋霍尔效应为在非磁性半导体中产生自旋流提供了一种有效途径.然而,在具有自旋轨道耦合的系统中,自旋流并不守恒.如何理解这点并恰当地表述相应的连续性方程,成为自旋输运研究的基本问题之一.本文主要综述自旋轨道耦合系统中自旋流与自旋霍尔效应方面的研究进展.引入SU(2)规范势后,自旋流满足协变形式的连续性方程,该方程保证了SU(2)Kubo公式在不同规范固定下的自洽性.利用SU(2)场强张量,可以直接得到自旋密度和自旋流在SU(2)外场中受到的白旋力,该力在只有U(1)磁场时对应于Stern-Gerlach力.由于依赖杂质散射的外在自旋霍尔效应很难被利用,内在自旋霍尔效应的概念被提出:在非磁半导体中,U(1)电场会诱导出自旋流并导致系统边缘处的自旋积累.自旋霍尔效应已经在半导体和金属材料中被观察到.虽然在干净的二维电子气中自旋霍尔电导率是一普适常数e/8π,但杂质对它的影响却引起了人们的高度关注.通过引入退相干效应,自旋霍尔效应中杂质效应的一些令人困惑的理论结果,则得到清晰的解释.此外,本文还将介绍具有层间隧穿的双层二维电子气中的自旋输运现象.在能量简并点附近,自旋霍尔电导率和隧穿白旋电导率均会出现共振现象.当两层间的杂质势强度存在差异时,隧穿自旋电导率随门压的变化曲线呈现出非对称性,显示出自旋二极管效应.     

二维拓扑材料的新进展——纯平锡烯中存在大的拓扑能隙

近年来,得益于拓扑物理理论和二维材料制备的迅速发展,以量子自旋霍尔绝缘体为代表的二维拓扑材料的研究受到热切关注^[1,2]。早在2005年前后,理论表明在二维材料体系如石墨烯^[3]和HgTe量子阱体系^[4]中由于自旋轨道耦合作用而存在拓扑量子自旋霍尔效应。然而石墨烯中的碳是轻元素,自旋轨道作用非常微弱,所以其拓扑能隙太小。HgTe由于由重元素组成,自旋轨道耦合作用较强,其拓扑量子自旋霍尔态在2007年的实验中得到验证^[5],但仍需在很低的温度下才能得以实现。人们期望能在更高温度乃至室温下工作的具有更大拓扑能隙的量子自旋霍尔体系的发现。     

光自旋霍尔效应及其研究进展

光束在经过非均匀介质后,自旋角动量相反(左、右旋圆偏振)的光子在垂直于入射面的横向相互分离,造成光束的自旋分裂,这种现象叫做光自旋霍尔效应.它类似于电子系统中的自旋霍尔效应:自旋光子扮演自旋电子的角色,而折射率梯度则起外场作用.光自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径,在纳米光学、量子信息和半导体物理方面具有重要的应用前景;同时由于它与凝聚态和高能物理中的带电粒子自旋霍尔效应有高度的相似性和共同的拓扑根源,所以又为测量自旋霍尔效应这类弱拓扑现象提供了独特而又方便的机会.文章简单介绍了光自旋霍尔效应,并总结了近几年国内外的研究进展.     

量子阱中电子自旋注入及弛豫的飞秒光谱研究

采用飞秒脉冲的饱和吸收光谱方法研究了GaAs/AlGaAs多量子阱中电子自旋的注入和 弛豫特性，测得电子自旋极化弛豫时间为80±10ps.说明了电子自旋 轨道耦合相互作用引 起局域磁场的随机化，是导致电子的自旋极化弛豫的主要机理. 关键词： 自旋电子学 半导体量子阱 飞秒激光光谱 自旋 轨道耦合     

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。     

光子自旋霍尔效应及其在物性参数测量中的应用

光子自旋霍尔效应是指光束在非均匀介质中传输时,自旋角动量相反的光子在垂直于入射 面的方向发生的横向自旋相关分裂。光子自旋霍尔效应可以和电子自旋霍尔效应作类比：自旋光 子扮演自旋电子的角色,折射率梯度扮演外场的角色。光子自旋霍尔效应源于光的自旋-轨道相互 作用,和两类几何相位有关：一类是动量空间的自旋重定向Rytov-Vlasimirskii-Berry 相位;另 一类是斯托克斯参数空间的Pancharatnam-Berry 相位。光子自旋霍尔效应对物性参数非常敏感, 结合量子弱测量技术,在物性参数测量、光学传感等领域具有重要的应用前景。本文将简单分析 光子自旋霍尔效应的物理根源,回顾近几年不同物理系统中光子自旋霍尔效应的研究进展,介绍 光子自旋霍尔效应在物性参数测量中的应用。最后,展望其在光学模拟运算、显微成像、量子成 像等领域的可能发展方向。     

Rashba自旋-轨道耦合调制的单层半导体纳米结构中电子的自旋极化效应

利用现代材料生长技术纳米厚的半导体可以沿着良好的方向有序生长,形成层状半导体纳米结构.在这种半导体纳米结构中由于结构反演对称性破缺出现较强的自旋-轨道耦合,能有效消除半导体中电子的自旋简并,导致电子自旋极化效应,在自旋电子学领域中具有重要的应用.本文从理论上研究了单层半导体纳米结构中由Rashba型自旋-轨道耦合引起的电子自旋极化效应.由于Rashba型自旋-轨道耦合,相当强的电子自旋极化效应出现在该单层半导体纳米结构中.自旋极化率与电子的能量和平面内波矢有关,尤其是其可通过外加电场或半导体层厚度进行调控.因此,该单层半导体纳米结构可作为半导体自旋电子器件应用中的可控电子自旋过滤器.     

对称双势垒量子阱中自旋极化输运的时间特性

电子的隧穿时间是描述量子器件动态工作范围的重要指标. 本文考虑k³ Dresselhaus 自旋轨道耦合效应对系统哈密顿量的修正, 结合转移矩阵方法和龙格-库塔法来解含时薛定谔方程, 进而讨论了电子在非磁半导体对称双势垒结构中的透射系数及隧穿寿命等问题. 研究结果发现:由于k³ Dresselhaus 自旋轨道耦合效应使自旋简并消除, 并在时间域内得到了表达, 导致自旋向上和自旋向下电子的透射峰发生了自旋劈裂; 不同自旋取向的电子构建时间和隧穿寿命不同, 这是导致自旋极化的原因之一; 电子的自旋极化在时间上趋于稳定. 关键词： 自旋极化输运 透射系数 隧穿寿命 自旋极化率     

量子材料中的自旋—动量锁定新效应

继铁磁金属之后,具有强自旋轨道耦合与空间反演破缺的自旋极化量子材料,通过自旋—动量锁定（如Rashba、Dresselhaus自旋劈裂）,实现了如自旋轨道矩、自旋场效应晶体管等新一代自旋电子学效应。近期,通过耦合新自由度,研究者们发现了一些新奇的自旋—动量锁定效应,包括突破空间反演对称限制的“隐藏自旋极化”效应和突破自旋轨道耦合限制的“反铁磁自旋极化”效应,这些发现再一次拓宽了可利用的自旋电子学材料。文章简要回顾了自旋—动量锁定效应的基本原理和发展现状,重点介绍了耦合实空间自由度的自旋—动量—层锁定效应,即隐藏自旋极化;和耦合局域磁矩自由度产生的与自旋轨道耦合无关的自旋—动量锁定效应,即反铁磁自旋极化;以及与两者相关的新型自旋电子学效应。最后,展望了自旋—动量锁定中多自由度耦合问题、隐藏X物理和反铁磁自旋电子学三个方面的未来发展。     

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.     

基于结构反转二维光子晶体的拓扑相变及拓扑边界态的构建

构建了二维六角蜂窝晶格的两种结构,让散射体和基体材料反转.由于特有的点群对称,该晶格在布里渊区中心具有类比电子体系的p轨道和d轨道.在散射体和基体反转的两种结构中, p轨道和d轨道也直接实现了反转.定量分析了产生轨道反转的原因来自于低频局域共振产生空气带和介质带的反转.通过p轨道和d轨道的宇称特性,构建了类比电子体系量子自旋霍尔效应的赝自旋态.通过Γ点处有效哈密顿量的分析,揭示轨道反转导致的拓扑相变.通过结构的优化,构建了基于赝自旋的拓扑边界态.电磁波仿真模拟和能流矢量分析证明了结构具有电子体系量子自旋霍尔效应的特性,即自旋与传播方向锁定和拓扑保护.结果也证明经典波量子自旋霍尔效应的实现可以不经历带隙关闭的过程.与同类型的研究相比较,本文的结构不需要晶格的缩放,具有设计简单、带隙宽和边界态局域性较强的特点.     

自旋轨道转矩

信息磁存储技术在日常生活中,特别是目前的“大数据”时代,扮演着极其重要的角色。随着物理学的深入研究和发展,磁存储技术也发生着翻天覆地的变化。磁性随机存储器被视为未来磁存储技术的一颗新星,低功耗、读写快的特点使其拥有着巨大并且广泛的应用前景。磁存储技术很大程度上依赖于写入和读取磁存储单元信息的效率。近年来,基于自旋轨道耦合这一基本物理原理发展而来的自旋轨道转矩,由于能够有效地控制磁存储单元的磁矩,而受到了凝聚态物理和电子信息领域的广泛关注。涉及自旋轨道转矩的物理效应,如自旋轨道耦合、自旋霍尔效应、Edelstein效应等,都正在被全世界科学家深入地研究中。文章涵盖了近年来自旋轨道转矩领域的最新研究进展,重点介绍了重金属、二维材料体系、拓扑绝缘体以及反铁磁体系中的自旋轨道转矩。文章最后展望了自旋轨道转矩未来的发展方向及其潜在的工业应用价值。