若干介观体系中的自旋输运性质研究

论文摘要

本论文选择具有重要应用价值和基础理论研究意义的磁调制量子结构(即铁磁／非铁磁／铁磁异质结、铁磁／势垒／非铁磁／势垒／铁磁异质结)以及多臂量子环作为研究对象，针对其中的电子自旋极化输运现象、渡越时间、持续电流以及噪声等问题进行了较为系统的理论研究，揭示了一些新效应及其物理机制；旨在探索新颖的量子结构及其中的量子特性，为可能的新型量子器件的设计开发提供理论依据。论文工作得到的主要结论概述如下： (1)我们考虑了Rashba自旋轨道耦合效应，研究了含有铁磁／半导体／铁磁三终端异质结中准一维波导的自旋输运性质。该模型是计算自旋轨道耦合作用中被广泛采用的一种基本模型。我们发展了一维的量子波导理论同时将其应用到了三终端异质结中。渡越时间是一个很重要的物理量，它有助于人们认识量子隧穿现象本质，而且对理解和设计高速量子器件有着重要的意义。我们基于群速度的概念以及粒子流守恒法则，计算了自旋电子的渡越时间。计算结果表明：随着Rashba自旋轨道耦合的强度的增大，无论对于自旋向上还是自旋向下的电子，隧穿概率的相位都发生了变化。随着半导体长度的增加，自旋轨道耦合强度可以改变隧穿概率的相位。同时，随着半导体长度的增加，自旋电子的渡越时间并不是线性的增加，而是呈现了波状的增长过程。此外，随着自旋轨道耦合强度的增加，自旋电子的渡越时间也在增加。换句话说，自旋轨道耦合强度降低了器件反应的速度，阻碍了电子的运动。三终端异质结中的这些结论对于新型量子自旋电子器件的理解和设计是有益的。 (2)我们发展了一维量子波导理论同时将其应用到以薄绝缘体作为势垒的铁磁／半导体／铁磁异质结中。同时考虑了Rashba自旋轨道耦合效应和量子尺寸效应，基于群速度的概念以及粒子流守恒法则，我们分别计算了随Rashba自旋轨道耦合强度和半导体长度变化的自旋电子渡越时间。结果表明，铁磁金属及半导体之间的势垒对自旋向上及自旋向下电子的隧穿概率特性都有着重要的影响。半导体长度的增加和Rashba自旋轨道耦合强度的增加对自旋电子渡越时间的影响与不考虑势垒的异质结的情况相类似，所不同的是势垒

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 自旋电子学研究进展
• 1-3 自旋极化输运
• 1-4 半导体中自旋电子学
• 1.5 主要的研究工作
• 第二章 三通道 FM/SM/FM异质结中的自旋输运
• 2.1 引言
• 2.2 理论模型
• 2.3 数值结果和讨论
• 2.4 小结
• 第三章 FM/I/SM/I/FM异质结自旋输运及渡越时间的研究
• 3.1 引言
• 3.2 理论模型
• 3.3 数值结果和讨论
• 3.4 小结
• 第四章 多臂量子环中自旋输运及持续电流的研究
• 4.1 引言
• 4.2 理论模型
• 4.3 数值结果和讨论
• 4.4 小结
• 第五章 FM/SM/FM异质结中自旋轨道耦合效应对噪声的影响
• 5.1 引言
• 5.2 理论模型
• 5.3 数值结果和讨论
• 5.4 小结
• 第六章 结论
• 第七章 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果