二维自旋轨道耦合系统中自旋霍尔效应以及相关输运性质的研究

论文摘要

在这篇论文里,我们探讨了二维自旋轨道耦合电子系统的自旋霍尔效应以及其他自旋相关的输运性质。自旋霍尔效应的讨论主要是考虑线性Rashba自旋轨道耦合导致的内禀自旋霍耳效应。在第一章我们回顾了最近自旋轨道耦合系统中关于自旋霍尔效应和体自旋极化的理论和实验方面的研究进展。第二章我们首先从维象和Dirac方程两个角度讨论了原子中自旋轨道耦合的来源,接着概括了固体中自旋轨道耦合现象,特别针对线性Rashba耦合,我们讨论了这个系统的本征值和其他一些特征量。第三章探讨了自旋流的定义以及存在的一些问题,采用通常的定义,计算并得出了没有杂质时的自旋霍尔电导,并且从微扰和一般性论证两个角度讨论了杂质导致的自旋霍尔流消失的效应。第四章我们研究了高频THz光场作用下的二维Rashba系统,对于高频系统,无杂质的假设是物理的。我们发现这时的自旋霍尔流将以THz光场的频率为频率振荡,并且它的振荡幅度也会受到光场强度的影响。观察到了自旋流振幅和光强的非线性依赖关系,自旋霍尔流的幅度可以达到一个最大值,然后下降。另外,耦合系数对于自旋流的振荡幅度也有很强的影响。这些特征为利用光学方法调控自旋电子学器件提供了一种可能性。由于振荡的自旋流与体的自旋极化的时间导数直接联系,这样通过测量体自旋极化可以获得传统定义下的理论自旋流密度预言,这必将为研究最重要的如何联系实验测量与理论预言带来巨大的意义。考虑到直流情况下,杂质散射导致自旋霍尔电导完全消失的结论是针对抛物电子系统而言的,在第五章我们研究了非抛物能谱的情形。具体计算中考虑了Kane色散关系,我们发现包含顶角修正后杂质散射导致的自旋霍尔电导不再与无杂质的自旋霍尔电导抵消,这时的总自旋霍尔电导不仅依赖于非抛物的程度而且与散射势的平滑度有直接的关系,同时自旋霍尔电导与电子浓度成单调递增的关系。我们还讨论了自旋流在加上弱直流电场后的瞬态响应,观察到了与电流类似的“过冲”现象。第六章中利用平衡方程的方法研究了这种电子系统中其他一些输运量的性质。处理中我们同时考虑了杂质和声子散射,这时横向电荷电导仍旧等于零,而纵向电荷电导变得依赖于自旋轨道耦合强度。除了自旋极化的y分量S_y之外,其它的体自旋极化分量S_x、S_z等于零。y分量的自旋极化S_y在耦合比较强时可能会出现非线性的依赖于耦合的现象。声子散射在高温时对电荷迁移率的峰值结构和自旋极化有很强的抑制作用。在强场情况下,我们发现耦合能够增强电子冷却效应并且使得自旋极化出现平台结构,同时自旋极化的最大值是受材料耦合的限制的。这些特征与实验结果定性一致。我们还讨论了非抛物效应,发现对于这个相对较低密度和较强耦合的二维系统,非抛物性是非常重要的、不可忽略的。最后一章我们给出了结论和展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 自旋电子学
• 1.2 自旋霍尔效应
• 1.2.1 电荷霍尔效应
• 1.2.2 自旋霍尔效应
• 1.2.3 自旋霍尔效应的实验研究
• 1.3 电流导致的自旋极化
• 1.4 本论文内容安排
• 第二章 自旋轨道相互作用
• 2.1 原子中自旋轨道耦合
• 2.1.1 经典唯像推导自旋轨道耦合
• 2.1.2 从Dirac方程出发推导自旋轨道耦合
• 2.2 空间反演对称和时间反演对称
• 2.3 固体中自旋轨道相互作用
• 2.4 Rashba耦合系统的本征值与本征态
• 2.5 二维Rashba自旋轨道耦合电子系统的特征量
• 第三章 自旋霍尔效应
• 3.1 引言
• 3.2 自旋流的定义
• 3.3 平庸无杂质结果
• 3.4 存在杂质时的自旋霍尔电导
• 3.4.1 微扰理论的介绍
• 3.4.2 一股性论证
• 第四章 强THz光场驱动下的自旋霍尔效应
• 4.1 引言
• 4.2 波函数和态密度
• 4.3 THz场下的自旋霍尔流
• 4.4 数值计算结果
• 4.5 小结
• 第五章 Kane带中的自旋霍尔效应
• 5.1 引言
• 5.2 系统和动力学方程
• 5.3 自旋霍尔电导结果讨论
• 5.3.1 Kane能带模型
• 5.3.2 无杂质结果
• 5.3.3 短程δ杂质散射势结果
• 5.3.4 一股长程散射势数值结果
• 5.4 小结
• 第六章 平衡方程方法研究自旋轨道耦合系统的电荷输运以及自旋极化
• 6.1 引言
• 6.2 系统和哈密顿量
• 6.3 自旋非简并非抛物平衡方程
• 6.4 电荷输运
• 6.4.1 线性结果
• 6.4.2 非线性结果
• 6.5 自旋极化
• 6.5.1 线性结果
• 6.5.2 非线性结果
• 6.6 小结
• 第七章 结论及展望
• 附录A RPA近似关联函数的推导过程
• yλ=0的严格论证'>附录B p_yλ=0的严格论证
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录