自旋-軌道耦合體系中自旋輸運(yùn)特性的理論研究.pdf

1、自旋-軌道耦合效應(yīng)在基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用方面都引起了人們極大的興趣與關(guān)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(chǎng)，這使全電學(xué)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(chǎng)效應(yīng)晶體管(Spin-FET)就是一種全電學(xué)操縱的自旋器件。半導(dǎo)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(yùn)在自旋-軌道耦合調(diào)控下呈現(xiàn)出豐富的物理效應(yīng)，例如自旋霍爾效應(yīng)、自旋流等。此外，半導(dǎo)體低維材料生長(zhǎng)技術(shù)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(yīng)的研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　 本文研究了自旋軌道耦合體系中電子自旋的輸運(yùn)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(guān)于

3、具有特殊自旋輸運(yùn)性質(zhì)的自旋器件模型設(shè)計(jì)，最后一方面是關(guān)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(shè)計(jì)
　　 基于自旋電子學(xué)的迅速發(fā)展，我們提出了飛行自旋比特的固態(tài)量子計(jì)算模型。器件模型是兩個(gè)半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)全透射，從而使信息在傳遞中沒有損耗。
　　 2.彈道電導(dǎo)雙穩(wěn)開關(guān)效應(yīng)
　　 彈道自旋場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)晶體管中電子自旋的輸運(yùn)性質(zhì)，并得到理想的開關(guān)效應(yīng)。一定強(qiáng)度的周期Rashba自旋-軌道耦合會(huì)產(chǎn)生能隙，當(dāng)入射電子的能量處在能隙內(nèi)時(shí)，電子不能通過，電導(dǎo)為0，通道處于“斷開”狀態(tài)。減小Rashba自旋-軌道耦合強(qiáng)度至低于某臨界值時(shí)，電子可以全透射，電導(dǎo)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(qiáng)度，我們實(shí)現(xiàn)了控制彈道電導(dǎo)的雙穩(wěn)開關(guān)效應(yīng)。利用周期Rashba結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的是雙穩(wěn)的開關(guān)效應(yīng)，比利

6、用單個(gè)Rashba區(qū)實(shí)現(xiàn)的開關(guān)效應(yīng)，性能要穩(wěn)定很多。我們期望這個(gè)穩(wěn)定的開關(guān)效應(yīng)能在未來的納電子器件中得到應(yīng)用。
　　 3.自旋過濾器的模型設(shè)計(jì)
　　 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(chǎng)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(duì)半導(dǎo)體量子線施加均一弱磁場(chǎng)和周期Rashba自旋-軌道耦合。周期的Rashba結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一個(gè)電子無法通過的能隙，弱磁場(chǎng)破壞體系的時(shí)間反演對(duì)稱性

7、，使原本重合的上自旋能隙和下自旋能隙分離，我們?cè)诜蛛x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(duì)量子線施加周期弱磁場(chǎng)和均一自旋-軌道耦合。周期磁場(chǎng)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(shí)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(shí)，通常也

8、要考慮其引起的自旋弛豫效應(yīng)。最近，Bernevig等人在兩個(gè)特殊的自旋-軌道耦合體系中發(fā)現(xiàn)了壽命無限長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)沒有考慮雜質(zhì)分布可能引起的外稟自旋-軌道耦合對(duì)自旋壽命的影響，這其實(shí)是一個(gè)非常重要的問題。我們運(yùn)用格林函數(shù)運(yùn)動(dòng)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(duì)自旋螺旋態(tài)