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。     

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     

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     

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。     

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.     

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     

含δ势垒的铁磁/半导体/铁磁异质结中的自旋输运和渡越时间

研究了含δ势垒的铁磁/半导体/铁磁异质结中自旋相关的透射概率和渡越时间,讨论了量子尺寸效应和Rashba自旋轨道耦合效应对隧穿特性的影响.研究结果表明：δ势垒的存在降低了自旋电子的透射概率,改变了透射概率的位相.Rashba自旋轨道耦合强度的增加加大了透射概率的振荡频率.不同自旋取向的电子隧穿异质结时,渡越时间随着半导体长度、Rashba自旋轨道耦合强度以及两铁磁电极中的磁化方向的夹角的变化而变化. 关键词： δ势垒')" href="#">δ势垒 铁磁/半导体/铁磁异质结 Rashba自旋轨道耦合效应 渡越时间     

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.     

用BiSePt合金提高自旋轨道转矩效率

自旋轨道转矩器件实现快速高效的磁性操作,需要提供自旋流的强自旋轨道耦合层具有高的电荷-自旋密度转换效率,以及低的电阻率.本文采用磁控溅射方法生长具有面内磁性的BiSePt合金/Co异质结构,对比BiSePt合金采用共溅射及交替溅射两种生长方式,研究了不同配比下的自旋轨道转矩效率(SOT效率)与合金电阻率. Pt掺杂提高了合金层的金属性,但是逐渐破坏Bi₂Se₃非晶表面的拓扑序,随着Pt组分的增加,两种竞争的机制使得合金层的自旋霍尔电导率随浓度配比有非单调变化,并且在Bi₂Se₃组分为67%的配比处达到了优值.相比共溅射方式,交替溅射方式生长合金层的电导率及自旋霍尔角较小,这归因于界面散射的增强及Pt对自旋流的过滤效应.相比于传统的纯重金属Pt和Ta等,以及拓扑绝缘体Bi₂Se₃等材料,我们的BiSePt合金实现了与工业匹配的生长条件,较高的SOT效率,以及适中的电阻率,对于SOT器件的实际应用很有意义.     

Orbitronics: the intrinsic orbital current in p-doped silicon

The spin Hall effect depends crucially on the intrinsic spin-orbit coupling of the energy band. Because of the smaller spin-orbit coupling in silicon, the spin Hall effect is expected to be much reduced. We show that an electric field in p-doped silicon can induce a dissipationless orbital current in a fashion reminiscent of the spin Hall effect. The vertex correction from impurity scattering vanishes and the effect is robust against disorder. The orbital Hall effect leads to accumulation of local orbital momentum at the edge of the sample, and can be detected by the Kerr effect.     

Spin transverse force on spin current in an electric field

As a relativistic quantum mechanical effect, it is shown that the electron field exerts a transverse force on an electron spin 1/2 only if the electron is moving. The spin force, analogue to the Lorentz for an electron charge in a magnetic field, is perpendicular to the electric field and the spin current whose spin polarization is projected along the electric field. This spin-dependent force can be used to understand the Zitterbewegung of the electron wave packet with spin-orbit coupling and is relevant to the generation of the charge Hall effect driven by the spin current in semiconductors.     

The effect of spin-orbit coupling on magnetoresistance in nonmagnetic organic semiconductors

We investigated the effect of spin-orbit coupling on magnetoresistance in nonmagnetic organic semiconductors.A Lorentz-type magnetoresistance is obtained from spin-orbit coupling-dependent spin precession under the condition of a space-charge-limited current.The magnetoresistance depends on the initial spin orientation of the electron with respect to the hole in electron-hole pairs,and the increasing spin-orbit coupling slows down the change in magnetoresistance with magnetic field.The field dependence,the sign and the saturation value of the magnetoresistance are composite effects of recombination and dissociation rate constants of singlet and triplet electron-hole pairs.The simulated magnetoresistance shows good consistency with the experimental results.     

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.     

An Extended Extrinsic Mechanism for Anomalous Hall Effect

The extrinsic mechanism for anomalous Hall effect in ferromagnets is extended to include the contributions both from spin-orbit-dependent impurity scattering and from the spin-orbit coupling induced by external electric fields. The results obtained suggest that, within the framework of the extrinsic mechanisms, the anomalous Hall current in a ferromagnet may also contain asubstantial amount of dissipationless contribution independent of impurity scattering. After the contribution from the spin-orbit coupling induced by external electric fields is included, the total anomalous Hall conductivity is about two times larger than that due to spin-orbit dependent impurity scatterings.     

Quantum spin Hall effect

The quantum Hall liquid is a novel state of matter with profound emergent properties such as fractional charge and statistics. The existence of the quantum Hall effect requires breaking of the time reversal symmetry caused by an external magnetic field. In this work, we predict a quantized spin Hall effect in the absence of any magnetic field, where the intrinsic spin Hall conductance is quantized in units of 2(e/4pi). The degenerate quantum Landau levels are created by the spin-orbit coupling in conventional semiconductors in the presence of a strain gradient. This new state of matter has many profound correlated properties described by a topological field theory.     

Gauge potential formulations of the spin Hall effect in graphene

Two different gauge potential methods are engaged to calculate explicitly the spin Hall conductivity in graphene. The graphene Hamiltonian with spin-orbit interaction is expressed in terms of kinematic momenta by introducing a gauge potential. A formulation of the spin Hall conductivity is established by requiring that the time evolution of this kinematic momentum vector vanishes. We then calculated the conductivity employing the Berry gauge fields. We show that both of the gauge fields can be deduced from the pure gauge field arising from the Foldy-Wouthuysen transformations.