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.     

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.     

自旋电子学和自旋流

传统的电子学完全忽略了电子自旋,这使人们在探索未来半导体工业发展时有了新的契机和可能的研究方向.自旋电子学旨在利用电子自旋而非传统的电子电荷为基础, 探讨研发新一代电子产品的可能性.文章简单介绍了自旋电子学的动机、物理基础以及研究内容,并重点介绍了在自旋电子学器件中起关键作用的自旋流.文章从自旋流的定义、它能产生的物理性质和最近有关自旋流探测的理论和实验进展等三个方面进行阐述.     

存在自旋轨道耦合的介观小环中的持续自旋流

文章作者研究了存在自旋轨道耦合的介观小环的平衡态性质.此前人们已经知道,在有磁通穿过的介观小环中,绕环运动的电子会产生一附加的Berry相位而导致持续电流;同样地,在仅有自旋轨道耦合的体系中,电子绕环运动也应当会产生附加的自旋Berry相位,进而驱动持续自旋流.文章作者通过对一个有正常区和自旋轨道耦合区的复合小环的计算,结果表明,无电流伴随的纯持续自旋流的确存在.文章作者指出,这持续自旋流描述真实的自旋运动,并且它能被实验观测.     

自旋-轨道耦合系统中的自旋流定义

通常的自旋流定义在描述自旋-轨道耦合系统中的自旋输运是不完整的与非物理的。文章作者提出在这类系统中自旋流的恰当定义。新定义的自旋流克服了通常定义下的本质缺点，可通过实验直接观测。     

单量子阱的自旋电流

利用密度矩阵的方法,由多粒子体系的薛定谔方程得到了微观体系中电子输运的概率方程，由此推出了单量子阱的自旋电流和电荷流的表达式.研究发现，在某种条件下单量子阱中只存在自旋电流；同时还给出了左右自旋电流之间的关系.结果表明:当单量子阱中的电子发生自旋共振时,自旋电流出现极大值并且随着自旋退相干时间的减小而减小. 关键词： 自旋共振 自旋电流     

自旋轨道耦合引起的电偶极矩

文章介绍了由于自旋轨道耦合导致的电子的电偶极矩在自旋电子学理论中的基本意义。研究发现，该电偶极矩与自旋流张量的反对称部分直接相关，它不仅直接导致可观测的电磁学效应，而且与电子在电场受到的力以及力矩有关，从而为自旋的电子学操控提供了可能。     

金属薄膜中的逆自旋霍尔效应

自旋流的产生和测量是自旋电子学面临的重大挑战.逆自旋霍尔效应提供了对自旋流进行电学测量的有效手段.文章总结了近年来人们对金属薄膜中的逆自旋霍尔效应的研究,从非局域电注入、铁磁共振注入、声波共振注入和圆偏振光注入这四种不同的自旋流注入方式来介绍逆自旋霍尔效应的物理机制、实现方式和影响因素.     

有机自旋电子学

文章介绍了有机半导体同自旋电子学相结合的新学科——有机自旋电子学．着重讨论以下三个方面问题：有机半导体特别是有机共轭聚合物特性及其载流子性质；自旋电子学研究热点；有机自旋电子学研究进展．     

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.     

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．     

Nonlocal Andreev reflection with Rashba spin-orbital interaction in a triple-quantum-dot ring

We theoretically studied the nonlocal Andreev reflection with Rashba spin-orbital interaction in a triple-quantumdot(QD) ring,which is introduced as Rashba spin-orbital interaction to act locally on one component quantum dot.It is found that the electronic current and spin current are sensitive to the systematic parameters.The interdot spin-flip term does not play a leading role in causing electronic and spin currents.Otherwise the spin precessing term leads to shift of the peaks of the the spin-up and spin-down electronic currents in different directions and results in the spin current.Moreover,the spin-orbital interaction suppresses the nonlocal Andreev reflection,so we cannot obtain the pure spin current.     

Demonstration of electrical spin injection into a semiconductor using a semimagnetic spin aligner

Spin injection into semiconductors has been a field of growing interest during recent years, because of the large possibilities in basic physics and for device applications that a controlled manipulation of the electrons spin would enable. However, it has proven very difficult to realize such a spin injector experimentally. Here we demonstrate electrical spin injection and detection in a GaAs/AlGaAs p-i-n diode using a semimagnetic II–VI semiconductor (Zn_{1 − x − y}Be_xMn_ySe) as a spin aligner. The degree of circular polarization of the electroluminescence from the diode is related to the spin polarization of the conduction electrons. Thus, it may be used as a detector for injected spin-polarized carriers. Our experimental results indicate a spin polarization of the injected electrons of up to 90% and are reproduced for several samples. The degree of optical polarization depends strongly on the Mn concentration and the thickness of the spin aligner. Electroluminescence from a reference sample without spin aligner as well as photoluminescence after unpolarized excitation in the spin aligner sample show only the intrinsic polarization in an external magnetic field due to the GaAs bandstructure. We can thus exclude side effects from Faraday effect or magnetic circular dichroism in the semimagnetic layer as the origin of the observed circularly polarized electroluminescence.     

True spin and pseudo spin entanglement around Dirac Points in graphene with Rashba spin–orbit interaction

We analytically obtained the Schmidt decomposition of the entangled state between the pseudo spin and the true spin in graphene with Rashba spin–orbit coupling. The entangled state has the standard form of the Bell state, where the SU(2) spin symmetry is broken. These states can be explicitly expressed as the superposition of two nonorthogonal, but mirror symmetrical spin states entangled with the pseudo spin states. Because of the closely locking between the pseudo spin and the true spin, it is found that the orbit curve in the spin-polarization parameter space for the fixed equi-energy contour around Dirac points has the same shape as the $\delta \overrightarrow{k}$-contour. Due to the spin–orbit coupling that cause the topological transition in the local geometry of the dispersion relation, the new equi-energy contours around the new emergent Dirac Points can be obtained by squeezing the one around the original Dirac point. The spin texture in the momentum space around the Dirac points is analyzed under the Rashba spin–orbit interaction and it is found that the orientation of the spin polarization at each crystal momentum $\overrightarrow{k}$ is independent of the Rashba coupling strength.     

一种数据非易失性、多功能和可编程的自旋逻辑研究进展

自旋(磁)逻辑器件具有数据非易失性、CMOS电路兼容性、操作速度快等优点,是开发计算存储相融合的非冯·诺依曼计算机架构的理想候选方案之一.本文进一步演示基于自旋霍尔效应的自旋逻辑方案.利用自旋霍尔效应不仅能够实现基本的布尔逻辑功能和数据存储功能,还可以利用自旋轨道力矩磁矩翻转的对称性要求、偏置磁场要求等,进一步实现自旋逻辑器件的可编程和多功能特性.利用这些特点,同一自旋霍尔逻辑器件可以实现"与"、"或"、"非"、"与非"、"或非"等功能.因为这些特性,基于自旋霍尔效应的自旋逻辑单元有望成为后续自旋逻辑器件和电路的核心器件,推动后者的持续开发与广泛应用.     

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 filter,spin amplifier and spin diode in graphene nanodisk

Graphene nanodisk is a graphene derivative with a closed edge. The trigonal zigzag nanodisk with size N has N-fold degenerated zero-energy states. It can be interpreted as a quantum dot with an internal degree of freedom. The ground state of nanodisk is a quasi-ferromagnet, which is a ferromagnetic-like state with a finite but very long life time. We investigate spin-filter effects in the system made of nanodisks and leads. A novel feature of the nanodisk spin filter is that its spin can be controlled by the spin current. We propose some applications for spintronics, such as spin memory, spin amplifier and spin diode. It is argued that a spin current is reinforced (rectified) by feeding it into a nanodisk spin amplifier (diode). Graphene nanodisk would be a promising candidate of future electronic and spintronic nanodevices.     

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.