金属表面Rashba自旋轨道耦合作用研究进展

自旋轨道耦合是电子自旋与轨道相互作用的桥梁, 它提供了利用外电场来调控电子的轨道运动、进而调控电子自旋状态的可能. 固体材料中有很多有趣的物理现象, 例如磁晶各向异性、自旋霍尔效应、拓扑绝缘体等, 都与自旋轨道耦合密切相关. 在表面/界面体系中, 由于结构反演不对称导致的自旋轨道耦合称为Rashba自旋轨道耦合, 它最早在半导体材料中获得研究, 并因其强度可由栅电压灵活调控而备受关注, 成为电控磁性的重要物理基础之一. 继半导体材料后, 金属表面成为具有Rashba自旋轨道耦合作用的又一主流体系. 本文以Au(111), Bi(111), Gd(0001)等为例综述了磁性与非磁性金属表面Rashba自旋轨道耦合的研究进展, 讨论了表面电势梯度、原子序数、表面态波函数的对称性, 以及表面态中轨道杂化等因素对金属表面Rashba自旋轨道耦合强度的影响. 在磁性金属表面, 同时存在Rashba自旋轨道耦合作用与磁交换作用, 通过Rashba自旋轨道耦合可能实现电场对磁性的调控. 最后, 阐述了外加电场和表面吸附等方法对金属表面Rashba自旋轨道耦合的调控. 基于密度泛函理论的第一性原理计算和角分辨光电子能谱测量是金属表面Rashba自旋轨道耦合的两大主要研究方法, 本文综述了这两方面的研究结果, 对金属表面Rashba自旋轨道耦合进行了深入全面的总结和分析.     

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     

自旋轨道耦合作用的等效磁场

自旋与电荷一样,是电子的固有属性,电子的周期性轨道运动产生的磁场与电子的自旋磁矩相互作用,这种磁相互作用就是自旋轨道相互作用。在原子物理学中,这种自旋轨道作用会影响原子光谱的精细结构,然而教材中缺少自旋轨道耦合作用在二维半导体材料中的微观描述。本文将引入Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合作用的哈密顿量,研究单电子在无外场下二维平面内运动,讨论一种或者两种自旋轨道耦合的哈密顿量表示。通过自旋与等效磁场耦合的塞曼能量表示,本文计算了本征态下不同自旋轨道耦合作用下的等效磁场,从而有助于探索二维半导体材料中不同自旋轨道耦合作用下的物理特性。     

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     

Rashba自旋-轨道相互作用对一维谐振子势场中电子性质的影响

分析了Rashba自旋-轨道相互作用对一维谐振子势场中电子性质的影响,发现该自旋-轨道相互作用能够导致能级之间的自旋翻转,并且自旋翻转的性质明显依赖于自旋-轨道耦合系数和参考系坐标之间的关系.     

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。     

自旋轨道耦合和电势共同调节的石墨烯中的自旋极化性质

近年来,石墨烯中电子的自旋相关输运引起了越来越多的关注.本论文应用转移矩阵的方法讨论了石墨烯中具有单个界面或者两个界面的结构中,受到自旋-轨道耦合作用和电势的共同影响下自旋相关的输运性质.对于单个界面结构,由于自旋-轨道耦合作用导致能级产生劈裂,在固定的入射能量下,电子在自旋-轨道耦合区域产生两种传播模式.在自旋-轨道耦合区域加了电势后,透射几率和模式临界角都会受到较大的影响.对于两个界面结构,粒子的透射几率不仅与入射角有关,还与自旋-轨道耦合区域的宽度和自旋进动长度有关,而电势对同自旋方向的传输几率以及自旋反转的几率都有影响,适当地选取系统的参数和电势的大小,可以控制出射的电子自旋方向,实验上可以用来设计自旋反转器或者或者自旋控制器.     

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/半导体(绝缘体)/铁磁异质结中渡越时间与两铁磁层磁矩夹角变化的关系

在群速度概念的基础上, 研究了自旋极化电子隧穿通过铁磁体/半导体(绝缘体)/铁磁体异质结时, 渡越时间随两端铁磁层中磁矩夹角变化的关系. 研究结果表明: 当中间层为半导体层时, 由于半导体层中的Rashba自旋轨道耦合强度的影响, 自旋向上电子和自旋向下电子的渡越时间差会在两铁磁层相对磁矩夹角为π/2和3π/2附近出现一个极小值. 当中间层为绝缘体层时, 势垒高度的变化会导致不同取向的自旋极化电子渡越时间差的变化, 并当势垒高度超过一临界值时发生翻转. 关键词： 铁磁体/半导体(绝缘体)/铁磁体异质结 Rashba自旋轨道耦合强度 渡越时间 磁矩     

铁磁/半导体/铁磁结构的双量子环自旋输运的特性

研究了与铁磁/半导体/铁磁结构相关的双量子环自旋输运的规律,研究结果表明：总磁通为零条件下,铁磁电极磁化方向反平行时,双量子环与单量子环相比提高了自旋电子透射概率的平均值.铁磁电极磁化方向平行时,双量子环对提高自旋向下电子平均透射概率的效果更明显;双量子环受到Rashba自旋轨道耦合作用影响时,自旋电子的平均透射概率明显高于单量子环,即使再加上外加磁场的影响,透射概率较高这一特征依然存在;双量子环所含的δ势垒具有阻碍自旋电子输运的作用,随δ势垒强度Z的增大透射概率 关键词： 双量子环 Rashba自旋轨道耦合 透射概率 δ势垒')" href="#">δ势垒     

基于镜像电荷法探测液氦表面电子的自旋态

文献[Phys.Rev.A,2006,74:052338]的理论研究表明液氦上电子自旋具有长达100秒的相干时间,因此在实施量子信息处理方面具有很大的应用前景.然而,这一理论还未得到实验的证实.液氦上电子的自旋-轨道耦合可以为电子自旋探测提供一种可选的方法.理论上,电子自旋-轨道耦合可以由液氦膜下方的微电极电流产生.在微波驱动下,电子发生电偶极跃迁,导致电子距离液氦表面的平均高度发生改变.利用镜像电荷法[Phys.Rev.Lett.,2019,123:086801],电子的这种轨道运动可以被实验测量.建立基于液氦上电子-自旋轨道耦合的密度矩阵方程,并数值求解镜像电荷的振动行为.结果表明不同的自旋态将会引起不同的感应电流,这种差异提供了一种可选的电子自旋探测方法.     

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.     

铁磁、肖特基金属和半导体纳米自旋过滤器中的量子尺寸效应

采用转移矩阵法,研究了结构尺度对自旋过滤器中电子自旋极化特性的影响.该自旋过滤器可以通过在半导体异质结上沉积纳米足度的铁磁条带和肖特基金属条带来实现.计算结果表明,电子的自旋极化特性强烈依赖于铁磁条带和肖特基金属条带的结构尺度和位置,即该器件中存在量子足寸效应.此外,我们的计算结果还表明,电子的自旋极化特性还与施加在肖特基金属条上的电压所诱发的电垒高度密切相关.因此,我们可以通过改变施加在肖特基金属条上的电压来调控该器件中电子的自旋极化特性,制造一个电压可调的电子自旋过滤器.     

Rashba自旋轨道耦合作用下电荷流散粒噪声与自旋极化的关系研究

根据存在自旋轨道耦合时基于散射理论的电流表达式和散粒噪声表达式,并利用自旋密度矩阵推导出沿自旋量子化坐标的自旋极化率表达式.解析计算了单通道的情况,发现自旋极化率和电荷流散粒噪声无关.由于多通道解析推导的困难,使用非平衡格林函数技巧,数值计算了包含自旋轨道耦合效应的纯净二维电子气的多通道情况.分别改变偏压、自旋轨道耦合系数、导体长度,研究了这三种不同条件下的自旋极化率与电荷流散粒噪声Fano因子的相关性.两者的相关性表明,相关性定量关系的建立可能为自旋极化的全电学检测提供新思路. 关键词： 散粒噪声 自旋极化 Rashba自旋轨道耦合 散射矩阵     

电磁波辐照下量子线的电子自旋极化输运性质

理论上研究Rashba自旋-轨道相互作(SOI)量子线在外电磁波辐照下的电子自旋极化输运性质.在自由电子模型下利用散射矩阵方法,发现当Rashba SOI较弱时,自旋极化率与外电磁场频率和电子入射能量无关,而当Rashba SOI较强时,自旋极化率则强烈依赖于外场频率和电子入射能量,其物理根源是Rashba SOI使子带混合引起的.此外,当电子的入射能量增加到打开另一通道阈值时,电子的透射率出现一个反常的台阶结构,这来源于电子与光子的非弹性散射而使电子在子带间的跃迁. 关键词： 量子线 电磁波 自旋极化输运 散射矩阵     

基于镜像电荷法探测液氦表面电子的自旋态

文献[Phys. Rev. A, 2006, 74:052338]的理论研究表明液氦上电子自旋具有长达100秒的相干时间,因此在实施量子信息处理方面具有很大的应用前景.然而,这一理论还未得到实验的证实.液氦上电子的自旋-轨道耦合可以为电子自旋探测提供一种可选的方法.理论上,电子自旋-轨道耦合可以由液氦膜下方的微电极电流产生.在微波驱动下,电子发生电偶极跃迁,导致电子距离液氦表面的平均高度发生改变.利用镜像电荷法[Phys. Rev. Lett.,2019,123:086801],电子的这种轨道运动可以被实验测量.建立基于液氦上电子-自旋轨道耦合的密度矩阵方程,并数值求解镜像电荷的振动行为.结果表明不同的自旋态将会引起不同的感应电流,这种差异提供了一种可选的电子自旋探测方法.     

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     

石墨烯中选择性增强Kane-Mele型自旋-轨道相互作用

增强石墨烯中的自旋-轨道相互作用可能实现无耗散的量子自旋霍尔器件,这需要在石墨烯样品中引入独特的Kane-Mele型自旋-轨道相互作用,并保持较高的迁移率.然而,对石墨烯的外在修饰往往会引入“外禀型”Rashba自旋-轨道相互作用,会破坏可能存在的拓扑态,并带来一定程度的杂质散射,降低样品迁移率.在石墨烯表面修饰EDTA-Dy分子后,载流子迁移率得到了提高,并且可以看到显著的量子霍尔电导平台.其弱局域化效应相比被修饰之前得到了抑制,这意味石墨烯中可能引入了内禀的Kane-Mele型自旋-轨道相互作用,增强了Elliot-Yafet型电子自旋弛豫机制.进一步通过矢量磁体磁阻测量,发现该分子覆盖在石墨烯上后造成了石墨烯微弱的涟漪,这种涟漪引起的弯曲声子效应模拟了Kane-Mele型自旋-轨道相互作用.     

Rashba自旋-轨道相互作用影响下量子盘中强耦合磁极化子性质的研究

本文基于Lee-Low-Pines幺正变换法,采用Tokuda改进的线性组合算符法研究了Rashba自旋-轨道相互作用效应下量子盘中强耦合磁极化子的性质.结果表明,磁极化子的相互作用能Eint的取值随量子盘横向受限强度ω0、外磁场的回旋频率ωc、电子-LO声子耦合强度α和量子盘厚度L的变化均与磁极化子的状态性质密切相关;磁极化子的平均声子数N随ωc,ω0和α的增加而增大,随L的增加而振荡减小;在Rashba自旋-轨道相互作用效应影响下磁极化子的有效质量将劈裂为m*+,m*-两种,它们随ωc,ω0和α的增加而增大,随L的增加而振荡减小;在研究量子盘中磁极化子问题时,电子-LO声子耦合和Rashba自旋-轨道相互作用效应的影响不可忽略,但Rashba自旋-轨道相互作用和极化子效应对磁极化子的影响只有在电子运动的速率较慢时显著.