In_(0.53)Ga_(0.47)As/InP量子阱中的Rashba自旋-轨道耦合

利用k·p方法研究了In0.53Ga0.47As/InP窄禁带半导体量子阱结构中的Rashba自旋-轨道效应及其栅电压调控规律。随着栅电压Vg从-0.35V增加到0V,电子浓度ne从0.99×1011cm-2线性增大至9.20×1011cm-2,Rashba自旋-轨道耦合参数α从2.38×10-11eV·m减小到0.19×10-11eV·m,零场自旋分裂能Δ0高达4.63meV。结果表明通过栅电压可以有效调控样品中的自旋-轨道耦合强度,证明该结构是制备自旋场效应晶体管(SpinFET)的理想材料。

Rashba自旋-轨道耦合下二维双极化子的基态性质

在考虑Rashba自旋-轨道耦合效应下,基于Lee-Low-Pines变换,采用Pekar型变分法研究了量子点中双极化子的基态性质.数值结果表明,在电子-声子强耦合(耦合常数α>6)条件下,量子点中形成稳定双极化子结构的条件(结合能E_b>0)自然满足;双极化子的结合能E_b随量子点受限强度ω_0、介质的介电常数比η和电子-声子耦合强度α的增大而增加,随Rashba自旋-轨道耦合常数αR的增加表现为直线增加和减小两种截然相反的情形;Rashba效应使双极化子的基态能量分裂为E(↑↑),E(↓↓)和E(↑↓)三条能级,分别对应两电子的自旋取向为"向上"、"向下"和"反平行"三种情形;基态能量的绝对值|E|随η和α的增加而增大,随αR的增加表现为直线增加和减小两种截然相反的情形;在双极化子的基态能量E中,电子-声子耦合能所占据的比例明显大于Rashba自旋-轨道耦合能所占比例,但电子-声子耦合与Rashba自旋-轨道耦合间相互渗透、彼此影响显著.

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.

Rashba自旋轨道耦合对NM/FS/I/FS/NM双自旋过滤隧道结中自旋相关输运的影响

基于转移矩阵方法和量子相干输运理论,研究了含两铁磁半导体层的双自旋过滤磁性隧道结(NM/FS/I/FS/NM,NM表示非磁金属,FS表示铁磁半导体,I表示绝缘层)中的Rashba自旋轨道耦合与自旋相关隧穿现象和隧穿磁电阻(TMR)效应之间的关系.研究结果表明:当左右两FS层的Rashba自旋轨道耦合强度相等时可得到最大的正TMR,而不等时可得到大的负TMR;在绝缘层厚度达到一定值后,双自旋过滤结可以获得稳定TMR,其正负和两FS层Rashba自旋轨道耦合强度的相对大小有关.

在Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合相互作用下二端双通道中的局域自旋极化研究

研究二端双通道结构中同时存在Rashba和Dresselhaus两种自旋轨道耦合相互作用情况下的电子局域自旋极化。本结构中所产生的局域自旋极化是由量子干涉效应和自旋轨道耦合共同导致的,因此可以通过调节结构参数和门电压的大小来改变局域自旋极化的大小。在适当选取某些参数的情况下,局域自旋极化可以达到0.33,可以用于自旋过滤器和信息储存器件。

二维过渡金属硫化物中Rashba自旋轨道耦合效应的电场调控研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对6种二维过渡金属硫化物MX_2(M=Mo,W;X=S,Se,Te)中的Rashba自旋轨道耦合效应进行了系统研究.对6种MX_2材料施加垂直方向电场,发现阴离子X对于电场诱导的Rashba自旋轨道耦合效应起主要作用:X原子序数越大,电场诱导的Rashba劈裂也越大;阳离子M被阴离子X覆盖,对电场诱导的Rashba自旋劈裂影响较弱.因此,6种MX_2单层的Rashba自旋劈裂大小依次为:WTe_2>MoTe_2>WSe_2>MoSe_2>WS_2>MoS_2.施加电场后,从布里渊区中心Γ点到布里渊区边界K/K′点,自旋方向二维平面内转向垂直方向,并且随着电场的增加,面内自旋成分逐渐增加.

含Rashba自旋轨道耦合二维电子气结构中电子反常位移及自旋分离

研究了含Rashba自旋轨道耦合的磁电调制半导体二维电子气中弹道电子反常位移(Goos-H(a|¨)nchen位移,即GH位移),实现了弹道电子的自旋分离,为自旋分离器件的设计提供了理论依据。研究结果表明:通过调节结构的各个参数包括入射角、磁场强度和Rashba自旋轨道耦合系数,可以有效地调控GH位移;位移在一定条件下可以为正也可以为负;体系中弹道电子的GH位移和自旋极化态有密切关系,这个自旋相关的位移可以用来分离不同自旋极化的电子束。基于这些现象,提出了一种利用GH位移在半导体2DEG中分离不同自旋极化电子的方法,这些现象在设计自旋电子学器件上有所作用。

纳米环中基于自旋轨道耦合的自旋过滤效应

理论研究纳米尺度半导体量子环中的电子自旋极化输运现象。量子环的每个臂上生长一个半导体量子点,其中存在Rashba自旋轨道耦合相互作用。在外加磁通的联合作用下,流过体系的自旋朝上和朝下的电子将获得不同的相位,从而发生不同的干涉效应。在适当调控体系参数的情况下,只能有一种自旋取向的电子通过,即发生了自旋过滤效应。此结构能在现有的实验条件下实现,并有望能得到实际的应用。

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.

H-Pb-Cl中可调控的巨型Rashba自旋劈裂和量子自旋霍尔效应

具有巨型Rashba自旋劈裂和量子自旋霍尔效应的材料在自旋电子器件应用中具有重要意义.基于第一性原理,提出一种可以将巨型Rashba自旋劈裂和量子自旋霍尔效应实现完美共存的二维(two dimension,2D)六角晶格材料H-Pb-Cl.由于系统空间反转对称性的破坏和本征电场的存在,H-Pb-Cl的电子能带中出现了巨型Rashba自旋劈裂现象(α_(R)=3.78 eV.A).此外,H-Pb-Cl的Rashba自旋劈裂是可以随双轴应力(-16%—16%)调控的.通过分析H-Pb-Cl的电子性质,发现在H-Pb-Cl费米面附近有一个巨大的带隙(1.31 eV),并且体系由于Pb原子的s-p轨道翻转使得拓扑不变量Z_(2)=1,这就表明H-Pb-Cl是一个具有巨大拓扑带隙的2D拓扑绝缘体.我们的研究为探索和实现Rashba自旋劈裂和量子自旋霍尔效应的共存提供了一种优良的潜在候选材料.

自旋轨道耦合作用下的电子双折射研究

在这篇文章中,我们主要研究了对于一个给定入射电子态,在Rashba Spin-Orbit Coupling作用下的无序系统界面处的散射,除了正入射外,电子的双折射现象将会出现,这种情况下与光子的双折射情况类似。对于全反射的情况我们研究表明存在两个极限角,通过控制Rashba Spin-Orbit Coupling作用的强度,控制折射的两个极限角,双折射的控制允许利用单界面产生自旋过滤。通过研究不同空间的电子能谱与波函数,为求介观体系的电导提供了一种方法。

Al_(0.6)Ga_(0.4)N/GaN/Al_(0.3)Ga_(0.7)N/Al_(0.6)Ga_(0.4)N量子阱中的Rashba自旋劈裂

正如人们所知,可以通过电场或者设计非对称的半导体异质结构来调控体系的结构反演不对称性(SIA)和Rashba自旋劈裂.本文研究了Al_(0.6)Ga_(0.4)N/GaN/Al_(0.3)Ga_(0.7)N/Al_(0.6)Ga_(0.4)N量子阱中第一子带的Rashba系数和Rashba自旋劈裂随Al_(0.3)Ga_(0.7)N插入层(右阱)的厚度w_s以及外加电场的变化关系,其中GaN层(左阱)的厚度为40-w_s?.发现随着w_s的增加,第一子带的Rashba系数和Rashba自旋劈裂首先增加,然后在w_s>20?时它们迅速减小,但是w_s>30?时Rashba自旋劈裂减小得更快,因为此时k_F也迅速减小.阱层对Rashba系数的贡献最大,界面的贡献次之且随w_s变化不是太明显,垒层的贡献相对比较小.然后,我们假设w_s=20?,发现外加电场可以很大程度上调制该体系的Rashba系数和Rashba自旋劈裂,当外加电场的方向同极化电场方向相同(相反)时,它们随着外加电场的增加而增加(减小).当外加电场从-1.5×10~8V·m^(-1)到1.5×10~8V·m^(-1)变化时,Rashba系数随着外加电场的改变而近似线性变化,Rashba自旋劈裂先增加得很快,然后近似线性增加,最后缓慢增加.研究结果表明可以通过改变GaN层和Al_(0.3)Ga_(0.7)N层的相对厚度以及外加电场来调节Al_(0.6)Ga_(0.4)N/GaN/Al_(0.3)Ga_(0.7)N/Al_(0.6)Ga_(0.4)N量子阱中的Rashba系数和Rashba自旋劈裂,这对于设计自旋电子学器件有些启示.

含Rashba-Dresselhaus双阶梯型量子线中电子的自旋电导开关效应

利用紧束缚近似的非平衡格林函数法,研究了含Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合效应的双阶梯型量子线中电子的自旋电导开关效应.结果表明在正向偏压下,系统有大的自旋电导出现;但在反向偏压下,这个大的自旋电导会消失.并且自旋电导随着Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合效应的变化呈现圆形结构,表明Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合效应引起自旋电导的作用是一样的,因此可以通过调节Rashba或Dresselhaus自旋轨道耦合效应来控制自旋电导.该系统在未来有可能用来制作全电自旋电导开关的量子线.

外加磁场对含双δ势垒的铁磁/半导体/铁磁异质结中自旋输运和散粒噪声的影响

研究了外磁场存在时,含双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散粒噪声,讨论了量子尺寸效应和Rashba自旋轨道耦合效应.研究结果表明:不同自旋取向的电子隧穿异质结时,透射概率和散粒噪声随半导体长度的变化特性是作等幅振荡;外加磁场和Rashba自旋轨道耦合强度的增强都会加大透射概率和散粒噪声的振荡频率;外加磁场角度的改变会改变散粒噪声的振荡频率;双δ势垒的存在增大了自旋电子透射概率的振幅.

双势垒异质结构中自旋相关的散粒噪声

利用Landauer-Büttiker散射理论和传递矩阵方法研究了两端具有铁磁接触的双势垒异质结构(F/DB/F)中自旋相关的散粒噪声。计算结果表明:电流和散粒噪声随阱宽的增加发生周期性的振荡,随着垒厚的增加产生了明显的相位差,与自旋向上电子相比,垒厚对自旋向下电子的电流和散粒噪声影响更大。Rashba自旋轨道耦合强度的增加加大了电流和散粒噪声的振荡频率。偏压的增加减小了电流和散粒噪声的振荡频率,增大了电流和散粒噪声的峰谷比和峰值。电流和散粒噪声随自旋轨道耦合强度和偏压的变化强烈依赖于两铁磁电极中磁化方向的夹角。

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.

自旋轨道耦合玻色爱因斯坦凝聚体中的拉曼耦合强度

对玻色爱因斯坦凝聚中拉曼跃迁的拉比频率和耦合强度进行了实验研究,拉比频率是光与原子相互作用中的一个重要参量,用于衡量原子与光场之间耦合强度的大小,而拉曼跃迁耦合强度是自旋轨道耦合实验中的一个重要参数。研究了不同拉曼光频率失谐下,87 Rb在F=1时的超精细塞曼子能态|1,0〉和|1,1〉间的拉曼跃迁拉比振荡。在800nm的拉曼光作用下,观测到超精细态F=2的5个塞曼能态间同时耦合的拉比振荡。该工作有助于87 Rb自旋轨道耦合实验中参数的优化选择。

基于类叉形纳米结构的自旋极化电流分离器

采用递归格林函数法研究了含Rashba自旋轨道耦合(spin-orbit coupling,简记SOC)效应的类叉形纳米结构中电子的自旋极化输运性质。结果表明在非自旋极化电子入射时系统的两个出射端能得到大小相等但极化方向相反的两个自旋极化电流,其物理根源是由Rashba SOC和系统的几何结构导致的两出射端具有大小不相等的自旋电导。当系统中引入无序时,无序强度对自旋极化电流的影响较弱。这些效应说明所研究的系统有可能用来设计自旋极化电流分离器。

四终端铁磁/半导体/铁磁异质结的自旋输运性质

提出了含有δ势垒的四终端铁磁/半导体/铁磁异质结模型,研究了该模型透射概率的性质.结果表明:透射概率随半导体长度的增加产生周期性振荡,且与δ势垒强度及电子的自旋方向相关,Rashba自旋轨道耦合强度、外磁场对透射概率均有影响.