Dephasing Measurements in InGaAs/AlInAs Heterostructures: Manifestations of Spin-Orbit and Zeeman Interactions

We have measured weak antilocalization effects, universal conductance fluctuations, and Aharonov-Bohm oscillations in the two-dimensional electron gas formed in InGaAs/AlInAs heterostructures. This system possesses strong spin-orbit coupling and a high Landé factor. Phase-coherence lengths of 2 - 4 μm at 1.5 - 4.2 K are extracted from the magnetoconductance measurements. The analysis of the coherence-sensitive data reveals that the temperature dependence of the decoherence rate complies with the dephasing mechanism originating from electron-electron interactions in all three experiments. Distinct beating patterns superimposed on the Aharonov-Bohm oscillations are observed over a wide range of magnetic fields, up to 0.7 Tesla at the relatively high temperature of 1.5 K. The possibility that these beats are due to the interplay between the Aharonov-Bohm phase and the Berry one, different for electrons of opposite spins in the presence of strong spin-orbit and Zeeman interactions in ring geometries, is carefully investigated. It appears that our data are not explained by this mechanism;rather, a few geometrically-different electronic paths within the ring’s width can account for the oscillations’ modulations.

介观物理的粒子自旋轨道耦合和量子几何相位

本文较系统地但并非全面地讨论粒子的自旋轨道耦合。从基本概念到在介观物理的一些应用，特别着重讨论了自旋轨道耦合和量子几何相位的关系，也从作者的观点评论现代文献的一些有关问题和概述作者及其研究合作者的一些工作。本文讨论很大部分内容并不局限在介观尺度，而是相当普通的，可供物理各个领域研究参考。

光的自旋-轨道相互作用

光的自旋-轨道相互作用是指光的自旋角动量和轨道角动量之间的相互作用,它存在于反射、折射、散射、衍射、聚焦等基本的光学过程中。在传统大尺度量级的经典光学中可以忽略自旋-轨道相互作用的影响,但在亚波长尺度下,自旋和轨道角动量之间会发生强耦合。对光的自旋-轨道相互作用的基本起源和重要应用进行了综述。首先,介绍了光的自旋-轨道相互作用的两个重要基本概念:光子角动量和几何相位理论。其次,分别介绍了自旋-内禀轨道角动量和自旋-外禀轨道角动量两种相互作用的基本原理。然后,重点介绍了光自旋-轨道相互作用的研究进展以及代表性应用。最后,对光自旋-轨道相互作用相关研究面临的挑战和未来的研究方向进行了展望。

光子自旋霍尔效应及其在物性参数测量中的应用

光子自旋霍尔效应是指光束在非均匀介质中传输时,自旋角动量相反的光子在垂直于入射面的方向发生的横向自旋相关分裂。光子自旋霍尔效应可以和电子自旋霍尔效应作类比:自旋光子扮演自旋电子的角色,折射率梯度扮演外场的角色。光子自旋霍尔效应源于光的自旋-轨道相互作用,和两类几何相位有关:一类是动量空间的自旋重定向Rytov-Vlasimirskii-Berry相位;另一类是斯托克斯参数空间的Pancharatnam-Berry相位。光子自旋霍尔效应对物性参数非常敏感,结合量子弱测量技术,在物性参数测量、光学传感等领域具有重要的应用前景。本文将简单分析光子自旋霍尔效应的物理根源,回顾近几年不同物理系统中光子自旋霍尔效应的研究进展,介绍光子自旋霍尔效应在物性参数测量中的应用。最后,展望其在光学模拟运算、显微成像、量子成像等领域的可能发展方向。