自旋-軌道耦合體系中自旋輸運特性的理論研究.pdf

1、自旋-軌道耦合效應在基礎研究和實際應用方面都引起了人們極大的興趣與關注。電子的自旋狀態(tài)可以由自旋-軌道耦合作用來控制，不需要利用磁性材料或外加磁場，這使全電學方法控制的自旋器件成為可能，例如已經(jīng)提出的Datta-Das自旋場效應晶體管(Spin-FET)就是一種全電學操縱的自旋器件。半導體二維電子氣中存在幾種典型自旋.軌道耦合作用：Rashba自旋-軌道耦合，Dresseslhaus自旋-軌道耦合，以及雜質(zhì)引起的自旋-軌道耦合。前二者屬

2、于內(nèi)稟(Intrinsic)自旋-軌道耦合，雜質(zhì)引起的自旋-軌道耦合屬于外稟(Extrinsic)自旋-軌道耦合。電子自旋輸運在自旋-軌道耦合調(diào)控下呈現(xiàn)出豐富的物理效應，例如自旋霍爾效應、自旋流等。此外，半導體低維材料生長技術日益完善，已經(jīng)能夠制造出具有高遷移率的納米尺度的微結(jié)構(gòu)器件，為自旋-軌道耦合效應的研究提供了實驗基礎。
　　 本文研究了自旋軌道耦合體系中電子自旋的輸運特性。研究工作包含如下四方面的內(nèi)容，其中前三方面是關于

3、具有特殊自旋輸運性質(zhì)的自旋器件模型設計，最后一方面是關于自旋螺旋態(tài)壽命的研究。
　　 1.飛行自旋比特邏輯門的模型設計
　　 基于自旋電子學的迅速發(fā)展，我們提出了飛行自旋比特的固態(tài)量子計算模型。器件模型是兩個半導體量子線：具有Rashba自旋-軌道耦合作用的量子線和具有Dresselhaus自旋-軌道耦合作用的量子線。在模型中，電子自旋極化態(tài)是比特信息的載體，自旋-軌道耦合是控制自旋比特的手段，二維電子氣是自旋信息的傳輸

4、通道。Rashbg和Dresselhaus兩類自旋-軌道耦合實現(xiàn)了對自旋的兩類操縱方式，結(jié)合這兩類操縱方式(串連兩類量子線)，我們實現(xiàn)了一套通用的單量子自旋比特邏輯門：Hadamard門，相位門和π/8門。另外，我們還計算了電子自旋在器件模型中的透射系數(shù)，確保在一定條件下實現(xiàn)全透射，從而使信息在傳遞中沒有損耗。
　　 2.彈道電導雙穩(wěn)開關效應
　　 彈道自旋場效應晶體管中，可以利用自旋-軌道耦合作用調(diào)控輸出電流。我們研究

5、了具有周期Rashba結(jié)構(gòu)的自旋場效應晶體管中電子自旋的輸運性質(zhì)，并得到理想的開關效應。一定強度的周期Rashba自旋-軌道耦合會產(chǎn)生能隙，當入射電子的能量處在能隙內(nèi)時，電子不能通過，電導為0，通道處于“斷開”狀態(tài)。減小Rashba自旋-軌道耦合強度至低于某臨界值時，電子可以全透射，電導最大，通道處于“閉合”狀態(tài)。因此，通過調(diào)節(jié)自旋-軌道耦合強度，我們實現(xiàn)了控制彈道電導的雙穩(wěn)開關效應。利用周期Rashba結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的是雙穩(wěn)的開關效應，比利

6、用單個Rashba區(qū)實現(xiàn)的開關效應，性能要穩(wěn)定很多。我們期望這個穩(wěn)定的開關效應能在未來的納電子器件中得到應用。
　　 3.自旋過濾器的模型設計
　　 自旋過濾器的功能是使無自旋極化流轉(zhuǎn)變?yōu)樽孕龢O化流。利用空間調(diào)制的弱磁場和自旋-軌道耦合，我們提出了兩種自旋過濾器模型。模型(一)是對半導體量子線施加均一弱磁場和周期Rashba自旋-軌道耦合。周期的Rashba結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一個電子無法通過的能隙，弱磁場破壞體系的時間反演對稱性

7、，使原本重合的上自旋能隙和下自旋能隙分離，我們在分離的能隙內(nèi)分別得到上自旋極化流和下自旋極化流。模型(二)是對量子線施加周期弱磁場和均一自旋-軌道耦合。周期磁場產(chǎn)生分離的上自旋能隙和下自旋能隙，使上自旋極化流和下自旋極化流分布在不同能量區(qū)間，調(diào)節(jié)Rashba自旋-軌道耦合還可以實現(xiàn)上自旋極化流和下自旋極化流的靈活轉(zhuǎn)變。
　　 4自旋螺旋(Spin helix)態(tài)壽命的研究
　　 利用自旋-軌道耦合作用控制自旋態(tài)時，通常也

8、要考慮其引起的自旋弛豫效應。最近，Bernevig等人在兩個特殊的自旋-軌道耦合體系中發(fā)現(xiàn)了壽命無限長的自旋螺旋態(tài)(Phys.Rev.Lett.97，236601(2006))，而且該自旋螺旋態(tài)的壽命不受非磁性雜質(zhì)的影響。但是Bernevig等人在提出自旋壽命無限長時沒有考慮雜質(zhì)分布可能引起的外稟自旋-軌道耦合對自旋壽命的影響，這其實是一個非常重要的問題。我們運用格林函數(shù)運動方程的方法，深入研究了雜質(zhì)引起的外稟自旋-軌道耦合對自旋螺旋態(tài)