自旋轨道耦合的二维电子气中自旋输运相关性质的研究

论文摘要

自旋电子学是近年来凝聚态物理中飞速发展的前沿学科领域之一,它是以研究介观和微观尺度范围内自旋极化电子的输运特性(包括自旋极化、自旋相关的散射与自旋弛豫等)以及基于它的这些独特性质而设计、开发的在新的输运机理下工作的功能器件为主要内容的一门新的交叉学科。自旋轨道耦合是影响常见的半导体材料自旋调控和弛豫的重要物理机理,因此是半导体自旋电子学器件应用值得考虑的可能因素。近年来,国际上关于半导体中自旋轨道耦合引致的各种新奇的物理现象进行了研究并取得了许多重要的进展,如本征自旋霍尔效应等。这些研究为在半导体中产生自旋流提供了新的途径,并为未来的全电操纵的自旋电子学器件提供了物理基础。本文主要研究了二维电子气在自旋轨道耦合影响下一些相关性质的研究,主要包括:外磁场对螺旋自旋(SpinHelix)寿命的影响,各向异性的磁性杂质对反常霍尔电导率的影响以及各向异性的磁性杂质对自旋极化情况的影响。第一章在概述自旋电子学发展趋势的基础上,首先简单介绍了二维电子气中自旋轨道耦合的主要模型:Rashba,Dresselhaus型自旋轨道耦合作用,接着介绍了自旋流以及自旋流产生的一些物理效应,然后概述了由于自旋轨道耦合所产生的自旋霍尔现象,以及对该现象的产生所作出的不同的解释,包括本征自旋霍尔效应和非本征自旋霍尔效应,并简单介绍了二维电子气中自旋霍尔效应的检测和应用。最后阐明了本论文的主要内容和意义。第二章在简单介绍螺旋自旋(spin Helix)的基础上,主要探讨了存在螺旋自旋的两种不同的自旋轨道耦合的二维电子气中,即同时存在相等耦合强度的Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合体系和[110]型Dresselhaus自旋轨道耦合体系中,不同方向的外磁场对螺旋自旋寿命的影响情况。第三章基于久保公式和格林函数的方法,采用梯形近似,计算了各向异性的磁性杂质对自旋极化的顶角修正项,从而讨论了各向异性的磁性杂质对Rashba型自旋轨道耦合的二维电子体系总的自旋极化的影响,除了讨论对极化强度的影响,还讨论了磁性杂质对极化方向的影响。结果发现,磁性杂质的各向异性系数对极化强度有削弱作用,但磁性杂质和非磁性杂质一样,他们的引入并不改变自旋极化方向。第四章利用久保公式的线性响应理论,以Rashba型自旋轨道耦合的二维电子气为例,我们计算了自旋极化的该体系中的反常霍尔效应,分别讨论了非磁性杂质散射势和各向异性的磁性杂质散射势对反常霍尔电导率的影响。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 自旋电子学研究的历史回顾
• 1.1.1 巨磁电阻（GMR）
• 1.1.2 隧道磁电阻（TMR）
• 1.1.3 半导体自旋电子学
• 1.1.3.1 磁性半导体
• 1.1.3.2 自旋的注入和检测
• 1.1.3.3 自旋的输运
• 1.1.3.4 半导体电子自旋的控制和操纵
• 1.2 自旋轨道耦合
• 1.2.1 Rashba自旋轨道耦合
• 1.2.2 Dresselhaus自旋轨道耦合
• 1.3 自旋流
• 1.4 自旋流产生的物理效应
• 1.4.1 自旋流与电场
• 1.4.2 自旋流在电场下的运动
• 1.4.3 自旋流与自旋积累
• 1.5 自旋霍尔效应
• 1.5.1 原理
• 1.5.2 检测
• 1.5.3 应用
• 1.6 论文结构
• 参考文献
• 第二章 外磁场对螺旋自旋寿命的影响
• 2.1 引言
• 2.2 格林函数
• r（t,t′）=G_r（t-t′）'>2.2.1 G_r（t,t′）=G_r（t-t′）
• r（ω）的极点确定相互作用系统的元激发'>2.2.2 G_r（ω）的极点确定相互作用系统的元激发
• 2.2.3 谱定理
• 2.3 双时格林函数的运动方程
• 2.4 格林函数与粒子寿命
• 2.5 外磁场下的体系模型
• 2.6 垂直方向磁场对[110]型Dresselhaus模式中螺旋自旋的影响
• 2.7 平面内合适方向磁场对ReD模式中螺旋自旋的影响
• 2.8 本章小结
• 参考文献
• 第三章 杂质对二维电子气中自旋极化的顶角修正
• 3.1 引言
• 3.2 非磁性杂质情况下二维电子气中的自旋极化
• 3.2.1 研究模型的哈密顿量
• 3.2.2 杂质平均的格林函数
• 3.2.3 自旋顶角修正
• 3.2.4 自旋的极化
• 3.3 磁性杂质情况下二维电子气中的自旋极化
• 3.3.1 各向异性杂质的散射势
• 3.3.2 平均格林函数
• 3.3.3 磁性杂质情况下自旋极化
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 自旋极化的二维电子气中反常霍尔效应
• 4.1 引言
• 4.1.1 反常霍尔效应理论机制的研究历史
• 4.1.2 反常霍尔效应理论的最新进展
• 4.2 自旋极化的二维电子气体系中反常霍尔现象
• 4.2.1 非磁性杂质散射势下的反常霍尔效应
• 4.2.1.1 非磁性杂质散射势的体系模型
• 4.2.1.2 自能和平均格林函数
• 4.2.1.3 非磁性杂质散射势下的反常霍尔电导率
• 4.2.2 磁性杂质下的反常霍尔效应
• 4.2.2.1 平均格林函数与零顶角修正项时的反常霍尔电导率
• 4.2.2.2 磁性杂质散射势下的顶角修正项
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 论文总结
• 5.1 论文主要内容总结
• 5.1.1 外磁场对螺旋自旋寿命的影响
• 5.1.2 杂质散射势对二维电子气中自旋极化的影响
• 5.1.3 杂质散射势对自旋极化的电子气中反常霍尔效应的影响
• 5.2 论文展望
• 致谢
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