用BiSePt合金提高自旋轨道转矩效率

自旋轨道转矩器件实现快速高效的磁性操作,需要提供自旋流的强自旋轨道耦合层具有高的电荷-自旋密度转换效率,以及低的电阻率.本文采用磁控溅射方法生长具有面内磁性的BiSePt合金/Co异质结构,对比BiSePt合金采用共溅射及交替溅射两种生长方式,研究了不同配比下的自旋轨道转矩效率(SOT效率)与合金电阻率. Pt掺杂提高了合金层的金属性,但是逐渐破坏Bi₂Se₃非晶表面的拓扑序,随着Pt组分的增加,两种竞争的机制使得合金层的自旋霍尔电导率随浓度配比有非单调变化,并且在Bi₂Se₃组分为67%的配比处达到了优值.相比共溅射方式,交替溅射方式生长合金层的电导率及自旋霍尔角较小,这归因于界面散射的增强及Pt对自旋流的过滤效应.相比于传统的纯重金属Pt和Ta等,以及拓扑绝缘体Bi₂Se₃等材料,我们的BiSePt合金实现了与工业匹配的生长条件,较高的SOT效率,以及适中的电阻率,对于SOT器件的实际应用很有意义.     

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.     

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。     

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.     

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.     

自旋轨道耦合效应及其应用研究

讨论了自旋轨道耦合效应的物理起源,介绍了两种不同性质的自旋轨道耦合效应,具体研究了磁性隧道结中自旋轨道耦合效应对电导的影响.     

自旋轨道矩调控的垂直磁各向异性四态存储器结构

利用氧化钽缓冲层对垂直各向异性钴铂多层膜磁性的影响,构想并验证了一种四态存储器单元.存储器器件包含两个区域,其中一区域的钴铂多层膜[Pt(3 nm)/Co(0.47 nm)/Pt(1.5 nm)]直接生长在热氧化硅衬底上,另一个区域在磁性膜和衬底之间沉积了一层氧化钽作为缓冲层[TaO x(0.3 nm)/Pt(3 nm)/Co(0.47 nm)/Pt(1.5 nm)],缓冲层导致两个区域的垂直磁各向异性不同.在固定的水平磁场下对器件施加与磁场同向的电流,由于电流引起的自旋轨道耦合力矩,两个区域的磁化取向均会发生翻转,且拥有不同的临界翻转电流.改变通过器件导电通道的电流脉冲形式,器件的磁化状态可以在4个态之间切换.本文器件的结构为设计自旋轨道矩存储器件提供了新的思路.     

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.     

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.     

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.     

相互作用量子点的自旋相关输运

介绍了与磁性电极耦合的量子点的近藤共振、单电子能级自旋劈裂、磁化和线性电导等物理性质．研究结果显示，当磁性电极磁矩取向相同的时候，线性电导在低温下呈现双峰结构．而近藤共振和单电子能级的自旋劈裂都可以通过电极的内部磁化强度来控制，可以用来产生自旋阀效应．     

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.     

自旋卡诺电子学研究进展

近年来,随着自旋电子学的迅猛发展,人们发现电子自旋流与热流之间存在相互作用,从而产生了一门新兴的领域——自旋卡诺电子学(spin caloritronics)。该学科旨在通过增加电子自旋这一新的自由度来提高热效应的品质因数。文章介绍了自旋卡诺电子学的研究进展,包括自旋相关泽贝克效应、自旋泽贝克效应、磁性隧道结的热电效应以及热自旋转矩;值得关注的是,自旋泽贝克效应给出了一种非常优化的构型来验证自旋热电效应。     

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.     

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。