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。     

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.     

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。     

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.     

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。     

类场矩诱导的可调零场自旋转移力矩纳米振荡器

自旋转移力矩纳米振荡器是一种直流驱动的新型纳米微波振荡器,因其易集成、尺寸小、频率调制范围宽等优点,成为未来射频收发器的理想器件.但是,自旋转移力矩纳米振荡器的稳定自激振荡需要外加磁场的条件限制了其应用.基于宏自旋模型(又称单自旋或单畴模型),利用Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski方程,理论上研究了类场矩和电流强度对垂直磁化的自由层磁矩的零场稳定自激振荡特性的影响.研究结果表明,当类场矩参数与自旋转移力矩参数的比值为负值且其绝对值大于某一数值时,自旋转移力矩纳米振荡器可以实现零场自激振荡,其物理机制可以通过能量平衡方程解释,并且这一临界比值依赖于该系统的阻尼系数和电流强度.尤其是,自旋转移力矩纳米振荡器的稳定自激振荡频率可以通过类场矩参数与自旋转移力矩参数的比值和电流强度的大小来调节,并且其类场矩的绝对值越大,施加的电流强度越小(大于临界电流强度),则越有利于抑制二次和三次自激振荡频率的形成,从而提高自旋转移力矩纳米振荡器的“单频”性.上述结果提供了一种实现频率可调的零场自旋转移力矩纳米振荡器的理论方案.     

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.     

纳米金属薄膜中光子自旋霍尔效应的最佳弱测量

光子自旋霍尔效应是一种潜在的精密测量工具,在探测微结构材料结构参数变化的研究中具有重要的物理意义。基于光子自旋霍尔效应的弱测量模型研究了纳米金属薄膜中的光子自旋霍尔效应,研究结果表明当弱测量中放大角取相应的特殊值时(即最佳弱测量点),纳米金属薄膜中光子自旋霍尔效应的放大后横移值可达到最大,大大提高了光子自旋霍尔效应的探测精度;在最佳弱测量点得到的放大后横移可以更精确地推断出金属薄膜的实际厚度。实验结果与理论分析符合较好,该方法为研制基于光子自旋霍尔效应的精密测量工具提供了理论与实验基础。     

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.     

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.

     

GaAs自旋注入及巨霍尔效应的研究

在自旋电子学研究中,一般以超晶格结构、自旋阀、隧道结来实现,另一种自旋注入典型方法是稀磁半导体材料,如GaMnAs,本文通过颗粒膜实现自旋注入,利用磁控溅射法将Fe颗粒嵌入GaAs阵体上,制备了(GaAs)₁₉Fe₈₁颗粒膜样品,在室温条件下观测到15 μΩ ·cm最大饱和霍尔电阻率,该效应比纯铁的饱和霍尔电阻率大了一个数量级,成功地实现了自旋注入. 关键词： 自旋注入 颗粒膜 巨霍尔效应     

Spin Hall Magnetoresistance and Spin Nernst Magnetothermopower in a Rashba System: Role of the Inverse Spin Galvanic Effect

In ferromagnet/normal‐metal bilayers, the sensitivity of the spin Hall magnetoresistance and the spin Nernst magnetothermopower to the boundary conditions at the interface is of central importance. In general, such boundary conditions can be substantially affected by current‐induced spin polarizations. In order to quantify the role of the latter, we consider a Rashba two‐dimensional electron gas with a ferromagnet attached to one side of the system. The geometry of such a system maximizes the effect of current‐induced spin polarization on the boundary conditions, and the spin Hall magnetoresistance is shown to acquire a non‐trivial and asymmetric dependence on the magnetization direction of the ferromagnet.     

强关联材料霍尔热导率实验测量综

在材料中输入热流并在垂直于热流的方向上施加磁场时,热载流子将可能被磁场偏转,获 得横向速度,从而导致材料在横向出现一个温度梯度。这种效应被称为热霍尔效应 (THE)。与电 霍尔效应类似,热霍尔效应被预言将在一些拥有非平庸贝利曲率的材料中出现,因此它可以揭示 材料的拓扑性质。然而,热霍尔效应并不像电霍尔一样,只局限于载流子带电的体系;相反,任 何种类的准粒子都可以导热。因此,热霍尔效应也可以用来探索强关联电子体系材料 (尤其是绝缘 体) 的奇异性质。因此,热霍尔效应更具有普适性,并日益成为探测电中性激发,如声子和磁振子 的强有力手段。不仅如此,有如手性声子这样超越一般非平庸贝利曲率图像的因素仍可导致热霍 尔效应;探查其中的热霍尔效应将为理解材料中复杂的微观机理指明方向。但是,热信号比电信 号要微弱得多。尤其是测量热霍尔效应,往往要在较大背景噪音中提取微弱的有效信号,这使霍 尔热导的测量极具挑战性。但是得益于科研工作者大量的努力,该领域在近几年发展迅速,得到 了许多十分有趣的结果。在本文中,我们将简要总结现有的一些令人兴奋的在霍尔热导率测量方 面的成果,指出尚未解决的问题,并提出未来可能的方向。      

Synchronization of nanowire-based spin Hall nano-oscillators

The synchronization of the spin Hall nano-oscillator (SHNO) device driven by the pure spin current has been investigated with micromagnetic simulations. It was found that the power spectra of nanowire-based SHNO devices can be synchronized by varying the current flowing in the heavy metal (HM) layer. The synchronized signals have relatively high power and narrow linewidth, favoring the potential applications. We also found that the synchronized spectra are strongly dependent on both the number and length of nanowires. Moreover, a periodic modulation of power spectra can be obtained by introducing interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction (iDMI). Our findings could enrich the current understanding of spin dynamics driven by the pure spin current. Further, it could help to design novel spintronic devices.