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.

Rashba自旋轨道耦合效应对散粒噪声的影响

计算了自旋电子隧穿铁磁/半导体/铁磁异质结的隧穿系数.根据Landauer-Büttier公式及其理论框架,计算了零温时的散粒噪声和电导,对散粒噪声和电导的函数曲线进行了对比分析,讨论了它们和Rashba自旋轨道耦合效应及量子尺寸效应的关系.

Rashba自旋-轨道耦合调制的单层半导体纳米结构中电子的自旋极化效应

利用现代材料生长技术纳米厚的半导体可以沿着良好的方向有序生长,形成层状半导体纳米结构.在这种半导体纳米结构中由于结构反演对称性破缺出现较强的自旋-轨道耦合,能有效消除半导体中电子的自旋简并,导致电子自旋极化效应,在自旋电子学领域中具有重要的应用.本文从理论上研究了单层半导体纳米结构中由Rashba型自旋-轨道耦合引起的电子自旋极化效应.由于Rashba型自旋-轨道耦合,相当强的电子自旋极化效应出现在该单层半导体纳米结构中.自旋极化率与电子的能量和平面内波矢有关,尤其是其可通过外加电场或半导体层厚度进行调控.因此,该单层半导体纳米结构可作为半导体自旋电子器件应用中的可控电子自旋过滤器.

强相互作用自旋-轨道耦合与夸克-胶子等离子体整体极化

在非对心相对论重离子碰撞中,参与反应的原子核物质系统具有巨大的初始轨道角动量,经过强相互作用的自旋-轨道耦合,这一巨大的轨道角动量可以转化为产生的夸克-胶子等离子体的整体极化.整体极化效应在理论上提出后,首先被美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机上的STAR实验所证实,激发了人们对相关问题的研究,成为重离子碰撞物理研究的一个新方向——重离子碰撞自旋物理.本文简单回顾了整体极化原始基本思想、理论计算体系与主要结果以及近几年的理论进展.

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。

考虑自旋-轨道耦合效应下SeH^-阴离子的光谱和跃迁性质

采用高精度的从头算方法研究了SeH阴离子的基态(X1∑+)和低激发(a3Π,A1Π,b3∑+,21∑+)的势能曲线、偶极矩和跃迁偶极矩.在计算中考虑了价-芯(CV)电子关联、Davidson修正、标量相对论修正和自旋-轨道耦合效应(SOC).考虑了SOC效应后,b3∑0-+和b3∑1+态变为了弱束缚态.计算得到a3Π1X1∑0++,a3Π0+■X1∑0++和A1Π1■X1∑0++跃迁具有很大的跃迁偶极矩.这三种跃迁都同时具有高对角分布的弗兰克-康登因子f00及振动分支比R00.计算得到了a3Π1,a3Π0和A1Π1激发态的自发辐射寿命都很短,能够实现对SeH-阴离子的快速激光冷却.A1Π1■X1∑0-+跃迁为三能级跃迁,中间态的存在对构建准闭合的循环能级的影响可以忽略.驱动a3Π1■X1∑0++,a3Π0+■X1∑0++和A1Π1■X1∑0++跃迁进行激光冷却SeH-阴离子的激光波长都在可见光范围内.本文的结果为以后激光冷却SeH-阴离子的实验提供了部分理论参考.

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。

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.

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.

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。

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.

5d过渡金属原子掺杂六方氮化铝单层的磁性及自旋轨道耦合效应:可能存在的二维长程磁有序

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了5d过渡金属原子(Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au和Hg)取代六方氮化铝单层中的Al原子的几何结构、电子结构、磁性性质、铁磁态与反铁磁态能量差(EFM-EAFM)以及自旋轨道耦合效应导致的磁各向异性.研究发现Hg掺杂的体系中,5d金属原子和最邻近的N原子的键长最大,平均值为2.093?,之后依次是Au,Hf,Pt,Ta和Ir.态密度结果显示掺杂体系的禁带中出现明显的杂质能级,给出了掺杂体系的总磁矩以及自旋密度的分布.对于EFM-EAFM,Hf,Re,Pt和Au四种原子的掺杂在4×8超胞中到达最大值,分别为-187.2563,286.2320,-48.0637和-61.7889 meV.磁各向异性结果中,Re掺杂的磁各向异性最大,达到11.622 meV.结合以上结果,我们预测5d过渡金属原子掺杂六方氮化铝单层可能存在二维长程磁有序.

自旋轨道耦合与自旋霍尔效应

从巨磁阻效应正式拉开自旋电子学的序幕开始,如何控制和操纵电子的自旋自由度在学术界和工业界掀起了巨大的研究浪潮,如何产生并测量自旋流也是自旋电子学面临的重大挑战.自旋轨道耦合为自旋电子学提供了利用全电学来控制自旋的物理基础,由自旋轨道耦合引起的自旋霍尔效应则为自旋电子学提供了产生较大纯自旋流的方法.本文从1879年Edwin Hall发现的那个迷人的效应谈起,同时从自旋轨道耦合的起源来认识自旋霍尔效应,进一步探讨了如何利用其逆效应来探测自旋霍尔效应及自旋流,并简单总结了与自旋霍尔效应相关的部分新效应及新应用.

自旋轨道耦合系统中的整数量子霍尔效应

研究了Rashba自旋轨道耦合作用下的二维无限长条形样品中的电子输运,计算了样品的霍尔电导和纵向电阻,得到了完整的整数量子霍尔效应.在一定强磁场范围内,由于样品两边缘的限制,能级在大波矢范围快速上升,在小波矢范围形成平坦的朗道能级.强磁场下自旋轨道耦合完全解除自旋简并.位于朗道能级上升和下降区域的电子形成传输电流.计算结果表明,霍尔电导呈现台阶型,平台出现在e2/h的整数倍位置,形成霍尔平台.温度对霍尔平台的电导有一定影响.在某临界温度以下,霍尔平台电导可以达到10–9以上的精度.最后分析了声子发射和吸收产生整数量子霍尔效应的纵向电阻的机制,近似计算了弛豫时间,得到了纵向电阻.结果表明,纵向电阻在霍尔平台区域为零,而在霍尔平台之间出现峰值.

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.

HgCdTe反型层中自旋轨道耦合、塞曼效应及界面粗糙涨落效应研究

通过实验测量,研究了HgCdTe反型层中自旋轨道耦合、塞曼效应及界面粗糙涨落效应。采用理论模型对不同温度及不同平行磁场下的反弱局域效应进行分析,结果表明,在平行磁场中,界面粗糙涨落效应与塞曼效应均会对HgCdTe反型层的反弱局域效应产生抑制作用。其中,界面粗糙涨落效应表现为产生一个二维电子气法向的弱局域效应,对样品施加平行磁场会首先抑制界面粗糙涨落效应导致的法向弱局域效应,然后才以塞曼效应继续抑制反弱局域效应。通过对参数τ/τϕ与|m^*rg^*3|的分析表明,塞曼效应对反弱局域效应的抑制与温度无关。

1-碘丙烷分子的电子动量谱学研究：自旋-轨道耦合效应与分子内轨道相互作用

利用不对称不共面电子动量谱仪，在2.5 keV碰撞能量下，采用高精度的SAC-CI方法计算了1-碘丙烷分子束缚能谱，同时采用Hartree-Fock、B3LYP/aug-cc-pVTZ（C,H）6-311G＊＊（I）方法计算其电子动量分布. 并对电离能峰进行了标示. 结合非相对论与相对论计算方法以及自然键轨道分析，对最外层两个轨道（碘的5p孤对）的自旋-轨道耦合效应与分子内轨道相互作用进行了比较. 两种相互作用对电子动量分布的不同影响是可观的. 实验结果与相对论计算的结果一致，表明1-碘丙烷分子内自旋-轨道耦合效应占主导.

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。

具有自旋-轨道耦合作用的二维介观电子气中的自旋累积效应研究

建立了在含自旋-轨道耦合相互作用的二维介观多端格子模型中求解散射波函数,进而在Landauer-Buttiker框架中得到计算多端的电导和自旋电导,以及任意非平衡局域物理量(如电流驱动之下的非平衡自旋累积)的一般方法.作为散射波函数法的一个直接应用,我们研究了具有Rashba型自旋-轨道耦合的二维电子气的二端结构.在给定电流密度条件下,我们得到线性输运区的非平衡自旋累积效应的结果,发现与其它的理论结果和最近的实验结果是定性一致的.