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     

电子自旋弛豫时间测量中电子自旋扩散的影响

在光注入电子自旋包的不同位置进行时间分辨的泵浦-探测实验时,发现电子自旋信息的退化率不同.揭示了电子自旋扩散对准确测量电子自旋弛豫时间的影响,获得了自旋输运动力学方程的解.对该解进行研究发现,电子自旋扩散对电子自旋弛豫时间测量值的影响可以归结为两个含时间的因子,其中一个因子与泵浦光斑中心和探测光斑中心的距离有关,另一个因子与泵浦光斑尺寸有关.提出了自旋弛豫时间测量实验中消除扩散影响的条件:1)泵浦光斑和探测光斑中心重叠;2)泵浦光斑尺寸足够大.结果表明,泵浦光斑尺寸越大,探测光斑中心越接近于泵浦光斑的中心,则扩散对自旋弛豫时间测量值所造成的影响就越小.     

自旋密度光栅和本征GaAs量子阱中的电子自旋双极扩散

为研究空穴对自旋极化电子扩散的影响,提出用自旋密度光栅方法来观察电子自旋扩散过程。由飞秒激光在本征GaAs多量子阱中激发产生瞬态自旋光栅和瞬态自旋密度光栅,并用于研究电子自旋扩散和电子自旋双极扩散。实验测得自旋双极扩散系数Das ＝25.4 cm 2/s,低于自旋扩散系数Ds ＝113.0 cm 2/s,表明自旋密度光栅中电子自旋扩散受到空穴的显著影响。     

InGaN薄膜中电子自旋偏振弛豫的时间分辨吸收光谱研究

采用飞秒时间分辨圆偏振光抽运-探测光谱对In_01Ga_09N薄膜的电子自旋注入和弛豫进行了研究.获得初始自旋偏振度约为02,此结果支持在圆偏振光激发下,重、轻空穴带的跃迁强度比为3∶1,而不支持1∶1或1∶094的观点同时获得自旋偏振弛豫时间为490±70ps,定性分析了自旋弛豫机理,认为BAP机理是电子自旋弛豫的主要机理. 关键词： 电子自旋 InGaN 自旋极化 自旋弛豫     

(110)-GaAs量子阱中光生载流子对电子自旋弛豫的影响

我们实验研究了(110)-GaAs量子阱中光生载流子对电子自旋弛豫的影响。通过测量量子阱的荧光寿命和光学吸收计算,我们能得到不同泵浦光功率下的带间吸收所产生的空穴浓度;相对应地,通过双色磁光科尔旋转技术,我们测量了该GaAs量子阱中电子自旋的动力学过程。结合两者,我们得到了电子自旋弛豫速率与空穴浓度的关系。实验结果表明电子自旋弛豫速率与空穴浓度呈线性依赖关系,验证了BirAronov-Pikus机制主导该体系的电子自旋弛豫。     

关于电子自旋的实验验证和理论思考

本文从斯特恩──盖拉赫实验证实电子具有自旋入手,用电子“自旋──轨道耦合”直观地解释了光谱线精细结构的双重线。     

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     

电子自旋偏振度及其弛豫过程的飞秒激光吸收光谱研究

基于二能级体系的速率方程，获得了非完全初始自旋偏振极化条件下的自旋偏振向上和向下 载流子布居弛豫的解析解. 基于小信号近似，给出了左、右旋圆偏振探测光的饱和吸收变化 的表达式. 此表达式中含有电子布居的初始自旋偏振度参数，因而用此表达式拟合实验数据 能够直接获取电子布居的初始自旋偏振度，而电子布居的初始自旋偏振度在自旋偏振输运研 究中是一个非常重要的关键参数. 实验获得了GaAs/AlGaAs多量子阱结构中光注入电子布居 的初始自旋偏振度及其弛豫时间常数. 关键词： 圆偏振抽运_探测技术 电子自旋偏振度 自旋偏振弛豫 GaAs量子阱     

半导体中的自旋弛豫——从体材料到量子阱、量子线、量子点

本文对半导体中的自旋弛豫过程给出一个简要的回顾,介绍了半导体材料从体材料到量子阱、量子线、量子点不同维数的结构中各种自旋弛豫过程,主要关注了自旋去相位和相干控制。对于不同材料中的各种弛豫机制,关注的重点在于如何能够在实验上以一种可以控制的方式来改变可调参数从而达到控制自旋弛豫过程。这些参数主要有电场、磁场、温度、应变、有效g因子等等。本文的组织上,首先介绍研究前景,第1部分简要介绍了自旋弛豫的四种机制。第2部分按照维数的不同将半导体中自旋弛豫分为3个部分:体材料、量子阱、量子线、量子点,在每一部分中又基本上按照电子、空穴、激子的顺序进行了简要的总结:对于不同的载流子,考虑了自旋弛豫对可调参数的依赖关系。这些结果要么试图解释了已有的实验结果,要么从理论上给出预言从而给实验指明了方向,为室温下可以使用的自旋电子学器件设计提供了依据,为固态量子计算和量子信息处理铺平了道路。最后简单地给出展望。     

Electron spin relaxation in very diluted CdMnTe quantum wells

Electron spin dephasing is studied by time-resolved Kerr rotation in n-type modulation-doped CdMnTe quantum wells with very dilute Mn content. We find good agreement between measured and calculated electron spin relaxation times, considering relaxation induced by fluctuating exchange field created by the Mn spins, and taking into account inhomogeneous heating of the Mn spins by laser pulses.     

AlGaN/GaN量子阱中子带的Rashba自旋劈裂和子带间自旋轨道耦合作用研究

首先把本征值方程投影到导带的子空间中, 进而得到AlGaN/GaN量子阱中第一、二子带的Rashba自旋劈裂系数(α ₁, α ₂)和子带间自旋-轨道耦合系数η₁₂. 然后自恰求解薛定谔方程和泊松方程计算了不同栅压的量子阱中的α ₁, α ₂和η₁₂, 并分别讨论了量子阱阱层、左右异质结界面和垒层对它们的贡献. 结果表明可以通过栅压来调节自旋-轨道耦合系数, 子带间自旋轨道耦合系数η₁₂比Rashba自旋劈裂系数α ₁, α ₂小, 但基本在同一数量级.     

自旋光电流与电流诱导的电子自旋极化——半导体自旋电子学的新进展

文章通过自旋光电流与Kerr效应的实验，介绍在自旋一轨道耦合的体系中，如何通过自旋注入来驱动电子的运动产生电流，又如何反过来通过电子的运动或电流在系统中产生自旋激化．实验结果表明，自旋轨道耦合不但给我们提供了对自旋的操控手段，而且还给我们提供了用非磁性材料且无外加磁场条件下作为自旋源的新途径．     

二维自旋轨道耦合电子气中持续自旋螺旋态的稳定性的研究

本文利用半经典的自旋密度矩阵方法对二维自旋轨道耦合电子气中持续自旋螺旋态的稳定性进行了一些研究, 重点研究了自旋螺旋态的寿命与其波矢、载流子迁移率、温度、自旋轨道耦合强度、外电场强度等因素之间的关系, 并将部分理论计算结果与最近的一些相关实验结果进行了比较,发现两者之间大致是符合的.     

Theory of phonon-modulated electron spin relaxation time based on the projection reduction method

This paper introduces a new method for a formula for electron spin relaxation time of a system of electrons interacting with phonons through phonon-modulated spin-orbit coupling using the projection-reduction method. The phonon absorption and emission processes as well as the photon absorption and emission processes in all electron transition processes can be explained in an organized manner, and the result can be represented in a diagram that can provide intuition for the quantum dynamics of electrons in a solid. The temperature （T） dependence of electron spin relaxation times （T1） in silicon is T1 ∝ T-1.07 at low temperatures and T1 ∝ T-3.3 at high temperatures for acoustic deformation constant Pad = 1.4 × 10^7 eV and optical deformation constant Pod = 4.0 × 10^17 eV/m. This means that electrons are scattered by the acoustic deformation phonons at low temperatures and optical deformation phonons at high temperatures, respectively. The magnetic field （B） dependence of the relaxation times is T1 ∝ B-2.7 at 100 K and T1 ∝ B-2.3 at 150 K, which nearly agree with the result of Yafet, T1 ∝ B-3.0- B -2.5.     

Intrinsic Hall effect and separation of Rashba and Dresselhaus spin splittings in semiconductor quantum wells

We have proposed a method to separate Rashba and Dresselhaus spin splittings in semiconductor quantum wells by using the intrinsic Hall effect. It is shown that the interference between Rashba and Dresselhaus terms can deflect the electrons in opposite transverse directions with a change of sign in the macroscopic Hall current, thus providing an alternative way to determine the different contributions to the spin--orbit coupling.     

Auger relaxation processes in semiconductor nanocrystals and quantum wells

Auger recombination rates in mesoscopic semiconductor structures have been studied as a function of energy band parameters and heterostructure size. It is shown that nonthreshold Auger processes stimulated by the presence of heteroboundaries become the dominant nonradiative recombination channel in nanometer size semiconductor structures. The size dependence of luminescence quantum yields in nanostructures and microcrystals are discussed. Auger-like collisions of electrons and heavy holes are shown to serve as “accelerators” of thermalization processes in semiconductor quantum dots.     

Finite size effects on helical edge states in HgTe quantum wells with the spin orbit coupling due to bulk- and structure-inversion asymmetries

There is a quantum spin Hall state in the inverted HgTe quantum well, characterized by the topologically protected gapless helical edge states lying within the bulk gap. It has been found that for a strip of finite width, the edge states on the two sides can couple together to produce a gap in the spectrum. The phenomenon is called the finite size effect in quantum spin Hall systems. In this paper, we investigate the effects of the spin-orbit coupling due to bulk- and structure-inversion asymmetries on the finite size effect in the HgTe quantum well by means of the numerical diagonalization method. When the bulk-inversion asymmetry is taken into account, it is shown that the energy gap Eg of the edge states due to the finite size effect features an oscillating exponential decay as a function of the strip width of the HgTe quantum well. The origin of this oscillatory pattern on the exponential decay is explained. Furthermore, if the bulk- and structure-inversion asymmetries are considered simultaneously, the structure-inversion asymmetry will induce a shift of the energy gap Eg closing point. Finally, based on the roles of the bulk- and structure-inversion asymmetries on the finite size effects, a way to realize the quantum spin Hall field effect transistor is proposed.     

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.