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.     

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.     

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。     

自旋轨道转矩

信息磁存储技术在日常生活中,特别是目前的“大数据”时代,扮演着极其重要的角色。随着物理学的深入研究和发展,磁存储技术也发生着翻天覆地的变化。磁性随机存储器被视为未来磁存储技术的一颗新星,低功耗、读写快的特点使其拥有着巨大并且广泛的应用前景。磁存储技术很大程度上依赖于写入和读取磁存储单元信息的效率。近年来,基于自旋轨道耦合这一基本物理原理发展而来的自旋轨道转矩,由于能够有效地控制磁存储单元的磁矩,而受到了凝聚态物理和电子信息领域的广泛关注。涉及自旋轨道转矩的物理效应,如自旋轨道耦合、自旋霍尔效应、Edelstein效应等,都正在被全世界科学家深入地研究中。文章涵盖了近年来自旋轨道转矩领域的最新研究进展,重点介绍了重金属、二维材料体系、拓扑绝缘体以及反铁磁体系中的自旋轨道转矩。文章最后展望了自旋轨道转矩未来的发展方向及其潜在的工业应用价值。     

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.     

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.     

Proper definition of spin current in spin-orbit coupled systems

The conventional definition of spin current is incomplete and unphysical in describing spin transport in systems with spin-orbit coupling. A proper and measurable spin current is established in this study, which fits well into the standard framework of near-equilibrium transport theory and has the desirable property to vanish in insulators with localized orbitals. Experimental implications of our theory are discussed.     

Generation and manipulation of current-induced spin-orbit torques

An emerging field of spintronics, spin-orbitronics, aims to discover novel phenomena and functionalities originating from spin-orbit coupling in solid-state devices. The development of spin-orbitronics promises a fundamental understanding of spin physics in condensed matter, as well as smaller, faster, and far-more energy-efficient spin-based devices. Of particular importance in this field is current-induced spin-orbit torques, which trigger magnetic dynamics by the transfer of angular momentum from an atomic lattice to local magnetization through the spin-orbit coupling. The spin-orbit torque has attracted extensive attention for its fascinating relativistic and quantum mechanical nature, as well as prospective nanoelectronic applications. In this article, we review our studies on the generation and manipulation of current-induced spin-orbit torques.     

Macroscopic spin and charge transport theory

According to the general principle of non-equilibrium thermodynamics, we propose a set of macroscopic transport equations for the spin transport and the charge transport. In particular, the spin torque is introduced as a generalized `current density' to describe the phenomena associated with the spin non-conservation in a unified framework. The Einstein relations and the Onsager relations between different transport phenomena are established. Specifically, the spin transport properties of the isotropic non-magnetic and the isotropic magnetic two-dimensional electron gases are fully described by using this theory, in which only the macroscopic-spin-related transport phenomena allowed by the symmetry of the system are taken into account.     

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.     

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.     

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.     

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.