光自旋霍尔效应中的交叉偏振特性研究

从光束角谱理论出发建立了描述光自旋霍尔效应的傍轴传输模型, 利用这一模型分析了光自旋霍尔效应中的交叉偏振特性. 通过分析交叉偏振效应强度和入射角变化的规律, 发现交叉偏振效应越强, 光自旋霍尔效应中的自旋分裂越大. 为便于实验观察, 将入射角选在光自旋霍尔效应较强的布儒斯特角附近, 观测到了强的交叉偏振效应. 增大交叉偏振分量的同时减小初始偏振分量, 可显著增强光自旋霍尔效应. 这一调控方法为研制基于光自旋霍尔效应的新型光子器件提供了理论基础.     

磁光克尔效应中的光子自旋分裂

光子自旋霍尔效应类似于电子系统中的电子自旋霍尔效应, 是在折射率梯度和光子分别扮演的外场和自旋电子的角色下, 由自旋-轨道相互作用而产生的光子自旋分裂现象. 光子自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径, 同时也提供了一种精确测量相关物理效应的方法. 本文研究了磁光克尔效应中光子自旋分裂现象, 建立了磁光克尔旋转与光子自旋霍尔效应之间的定量关系, 并通过弱测量系统观测了磁场作用下铁膜表面的光子自旋分裂位移, 得到相应的磁光旋转角, 验证了我们所推导的理论预测. 本文的研究成果为精确测量磁光克尔系数和磁光克尔旋转角提供了一种新方法.     

光自旋霍尔效应的研究性实验教学

光自旋霍尔效应是由于光子的自旋-轨道相互作用导致自旋相反的光子相互分离的光学效应,极大地丰富了光学研究内涵,成为现代光学的研究前沿和热点.由于光自旋霍尔效应实验与由偏振片、望远镜、显微镜等器件组装的实验相通,因此可以把光自旋霍尔效应的研究成果进行整理,设计制作出适合于本科实验教学的仪器.本文对光自旋霍尔效应的研究进展进行了综述,并介绍了利用所开发的光自旋霍尔效应实验仪可开展的实验类型和进行研究性教学的情况.     

多层介质中的光自旋霍尔效应研究

本文研究了光束通过多层介质分界面的光自旋霍尔效应. 以三层介质为例,建立了光束通过棱镜-空气-棱镜结构的传输模型,揭示了横移与空气介质的厚度、折射率梯度以及入射角等因素的定性关系. 发现对某一特定的圆偏振光束,改变两棱镜之间的折射率梯度可以调控横移,反射场与传输场的横移方向取决于折射率梯度. 相对于两层介质来说,高斯光束通过三层介质能明显地增强光自旋霍尔效应. 研究多层介质中光自旋霍尔效应横移的影响因素可为调控和增强光自旋霍尔效应提供理论依据. 关键词： 光自旋霍尔效应 横移 折射率梯度     

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。     

二维电介质光子晶体中量子自旋与谷霍尔效应共存的研究

基于量子自旋霍尔或谷霍尔效应的拓扑光子结构具有对缺陷免疫和抑制背向散射的特性,对设计新型低损耗的光子器件起到了关键作用.本文巧妙设计了一种具有时间反演对称性的二维电介质光子晶体,实现了量子自旋霍尔效应和量子谷霍尔效应的共存.首先基于蜂巢结构排布的硅柱经过收缩扩张,打开了布里渊区Γ点的四重简并点形成拓扑平庸或非平庸的光子带隙,实现量子自旋霍尔效应.经过扩张后的蜂巢晶格演化成为Kagome结构,之后在Kagome晶格中加入正负扰动,打破光子晶体的空间反演对称性,导致布里渊区的非等价谷K和K′的简并点打开并出现完整带隙,实现了量子谷霍尔效应.数值计算结果表明,由拓扑平庸与非平庸、正扰动与负扰动的光子晶体组成的界面上可实现单向传输且对弯曲免疫的拓扑边缘态.最后,设计了基于两种效应共存的四通道系统,此系统为光学编码与稳健信号传输提供潜在方法,为电磁波的操纵提供了更大的灵活性.     

转换反射中光自旋霍尔效应的自旋堆积方向

从理论上和实验上研究了转换反射中光自旋霍尔效应的自旋堆积方向的方法,建立了描述光束在空气-棱镜界面反射的自旋堆积模型,揭示了横移与光束入射偏振角的定性关系。研究发现,当入射角小于布儒斯特角时,随着入射偏振角的逐渐增大,自旋堆积的方向发生反转。而当入射角大于布儒斯特角时,自旋堆积的方向不再随入射偏振角的变化而反转。结果表明,在光束入射角为确定值且小于布儒斯特角的情况下,可以通过调控光束的入射偏振角转换自旋堆积的方向。转换自旋堆积方向的研究为有效调控光自旋霍尔效应提供了新的途径。     

光自旋霍尔效应及面内光自旋分离

当宽度有限的实际光束反射和折射时,左旋光和右旋光成分会发生垂直于入射面的空间分离,这一新奇的光自旋霍尔效应近来引起了人们的广泛关注.文章介绍了光自旋霍尔效应的研究进展,特别关注了纳米量级分离的测量方面进展.作者还发现在入射面内也会出现光自旋分离现象,并对这一新现象进行了理论分析和实验研究,实验测量数据和理论计算结果非常符合.     

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.     

异常霍尔效应和自旋霍尔效应

异常霍尔效应和自旋霍尔效应是在常规霍尔效应的基础上引发出的2种新现象.本文介绍了这2种现象及其原理和潜在的应用.     

Intrinsic spin Hall effect in silicene: transition from spin Hall to normal insulator

An intrinsic contribution to the spin Hall effect in two‐dimensional silicene is considered theoretically within the linear response theory and Green's function formalism. When an external voltage normal to the silicene plane is applied, the spin Hall conductivity is shown to reveal a transition from the spin Hall insulator phase at low bias to the conventional insulator phase at higher voltages. This transition resembles the recently reported phase transition in bilayer graphene. The spin–orbit interaction responsible for this transition in silicene is much stronger than in graphene, which should make the transition observable experimentally. (© 2012 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

多端口石墨烯系统中的非局域电阻

非局域测量方法由于其能够间接探测某些难以直接俘获的非平庸物理机理,近年来已逐渐成为凝聚态物理的研究热点之一.最近的实验在H形多端口石墨烯样品中发现了巨大的非局域电阻信号.在排除了经典欧姆、边缘态等可能的输运形式后,人们倾向于认为这类非局域电阻是由多端石墨烯系统中存在的自旋霍尔效益或谷霍尔效应所导致.借助于非平衡格林函数输运计算,目前的理论可以在同样的多端石墨烯体系中得到部分与实验符合较好的数值模拟结果.针对实验中发现的某些难以理解的、甚至与经典理论相矛盾的非局域电阻性质,例如非局域电阻相比局域电阻在偏离电中性点时的迅速衰减、出现在能隙中的非局域电阻峰值等,目前的理论研究取得了一定的进展,但对这些奇异现象的理解仍存在较大的争议.本综述详细回顾了多端口石墨烯体系中非局域电阻的相关实验,并针对性地介绍与之配套的理论进展及对未来研究的展望.     

NiFe/Pt薄膜中角度相关的逆自旋霍尔效应

NiFe/Pt双层薄膜样品在铁磁共振时, NiFe磁矩进动所产生的自旋流注入到Pt层中, 由于逆自旋霍尔效应产生直流电压V_ISHE, 此电压会叠加到NiFe薄膜由于自旋整流效应而产生的电压V_SRE 上, 实验测量所得电压为V_ISHE和V_SRE的叠加. 为了区分这两种不同机理对电压的贡献, 本文采取旋转外加静磁场的方法, 通过分析所测电压随磁场角度的变化从而分离出V_ISHE 的大小. 研究结果表明, 相比于单层NiFe(20 nm)薄膜样品, NiFe(20 nm)/Pt(10 nm)双层膜样品中由于NiFe自旋注入到Pt 中导致铁磁共振线宽增加. 与逆自旋霍尔效应产生的电压相比, 自旋整流效应的贡献较小, 但不可忽略. 本文工作有助于认清铁磁/非磁性金属材料中的自旋相关效应, 并提供了一种准确的分析逆自旋霍尔效应的方法.     

Spin textures of strongly correlated spin Hall quantum dots

We study the spin ordering of a quantum dot defined via magnetic barriers in an interacting quantum spin Hall edge. The spin‐resolved density–density correlation functions are computed. We show that strong electron interactions induce a ground state with a highly correlated spin pattern. The crossover from the liquid‐type correlations at weak interactions to the ground state spin texture found at strong interactions parallels the formation of a one‐dimensional Wigner molecule in an ordinary strongly interacting quantum dot.

     

Quantum spin Hall effect in a square-lattice model under a uniform magnetic field

We study a toy square-lattice model under a uniform magnetic field. Using the Landauer-Bttiker formula, we calculate the transport properties of the system on a two-terminal, a four-terminal and a six-terminal device. We find that the quantum spin Hall (QSH) effect appears in energy ranges where the spin-up and spin-down subsystems have different filling factors. We also study the robustness of the resulting QSH effect and find that it is robust when the Fermi levels of both spin subsystems are far away from the energy plateaus but is fragile when the Fermi level of any spin subsystem is near the energy plateaus. These results provide an example of the QSH effect with a physical origin other than time-reversal (TR) preserving spin-orbit coupling (SOC).     

自旋Seebeck效应简介

自旋电子学作为一个新兴的学科,是未来电子学发展的重要方向之一.而近年来发现的自旋泽贝克（Seebeck）效应则为自旋电子学的研究提供了不少新现象.文章通过对自旋Seebeck效应的一些科研进展的介绍,较详尽地阐明了自旋Seebeck效应的定义和常用的利用逆自旋霍尔（Hall）效应来进行观测的机制与方法,并对不同种类材料中的自旋Seebeck效应及其可能的成因进行了分析介绍.     

拓扑绝缘体简介

拓扑绝缘体是最近几年发现的一种全新的物质形态,由于其独特的能带结构,具有零质量的狄拉克费米子及其相关的奇妙物理特性,近些年来引起了人们的广泛关注.同时,它还展现出在自旋电子学和量子计算等领域巨大的应用前景.     

自旋阀中的各向异性磁电阻效应

采用平面霍尔效应测量方法，对Ta(8nm)/NiFe(7nm)/Cu(24nm)/NiFe(44nm)/FeMn(14nm)/Ta(6nm)自旋阀多层膜进行了研究.结果表明，在样品中存在着自由层和被钉扎层之间的各向异性磁电阻的“混合”效应.与通常所采用的磁电阻测量方法相结合，平面霍尔效应的测 量可以给出自旋阀中各向异性磁电阻以及自由层和被钉扎层的磁矩随外场变化的更多信息. 关键词： 自旋阀 各向异性磁电阻 平面霍尔效应     

Interplay of Rashba effect and spin Hall effect in perpendicular Pt/Co/MgO magnetic multilayers

The interplay of the Rashba effect and the spin Hall effect originating from current induced spin–orbit coupling was investigated in the as-deposited and annealed Pt/Co/MgO stacks with perpendicular magnetic anisotropy. The above two effects were analyzed based on Hall measurements under external magnetic fields longitudinal and vertical to dc current,respectively. The coercive field as a function of dc current in vertical mode with only the Rashba effect involved decreases due to thermal annealing. Meanwhile, spin orbit torques calculated from Hall resistance with only the spin Hall effect involved in the longitudinal mode decrease in the annealed sample. The experimental results prove that the bottom Pt/Co interface rather than the Co/MgO top one plays a more critical role in both Rashba effect and spin Hall effect.