具有自旋軌道耦合的低維系統(tǒng)中自旋輸運(yùn)的研究.pdf

1、本論文主要討論了具有自旋軌道耦合的低維系統(tǒng)中的自旋輸運(yùn)問題。在前兩章中，我們回顧了自旋電子學(xué)的發(fā)展進(jìn)程并簡述了基于自旋軌道耦合的自旋輸運(yùn)現(xiàn)象。論文的后幾章詳細(xì)地介紹了我們?cè)谶@方面取得的如下研究成果：
　　 我們第一次從SU(2)規(guī)范場的角度研究了自旋軌道耦合系統(tǒng)中的自旋流。我們發(fā)現(xiàn)，普遍定義的自旋流滿足協(xié)變形式的連續(xù)性方程。利用Noether定理，我們得到了守恒的總自旋流。我們認(rèn)為，自旋密度和自旋流密度會(huì)激發(fā)出SU(2)規(guī)范場，

2、而此規(guī)范場又會(huì)對(duì)自旋流施加自旋力，從而導(dǎo)致了它的不守恒。因此，守恒的總自旋流應(yīng)該包含由SU(2)規(guī)范場給出的貢獻(xiàn)。通過引入SU(2)場強(qiáng)張量，我們可以得到作用在自旋密度和自旋流密度上的自旋力。當(dāng)只有U(1)電磁場時(shí)，該自旋力會(huì)簡單地退化為Stern-Gerlach力。此外，我們還研究了U(1)×SU（2)規(guī)范場下的軌道流密度。我們指出，由于在一般情況下U(1)和SU(2)規(guī)范場的強(qiáng)度可以隨空間變化，系統(tǒng)的總角動(dòng)量并不守恒。因此，普遍定義

3、下的自旋流密度和軌道流密度的不守恒部分并不能相互抵消。
　　 從流體力學(xué)出發(fā)，我們建立了SU(2)×U(1)場中自旋輸運(yùn)的經(jīng)典圖像?；诖藞D像，我們給出了自旋流滿足的協(xié)變形式連續(xù)性方程的經(jīng)典對(duì)應(yīng)?？紤]到電子在SU(2)×U(1)場中受到Lorentz力和自旋力的作用，我們寫下了單電子運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典方程。從該方程中我們可以很容易地得到系統(tǒng)具有無窮長自旋弛豫時(shí)間的條件。另一方面，該經(jīng)典方程表明，即使SU(2)規(guī)范場不隨時(shí)間變化，由于電子

4、自旋與SU(2)電磁場的耦合，電子將感受到含時(shí)的自旋力。從半經(jīng)典的Boltzmann方程出發(fā)，我們得到了耦合的電荷-自旋擴(kuò)散方程。我們發(fā)現(xiàn)，電子的“振顫”運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致其耦合的原因。此外，我們研究了在三種不同形式的自旋軌道耦合下一維彈道系統(tǒng)中的自旋進(jìn)動(dòng)。結(jié)果表明，自旋進(jìn)動(dòng)強(qiáng)烈依賴于電子注入時(shí)的自旋極化方向。
　　 我們研究了描述自旋軌道耦合系統(tǒng)對(duì)非阿貝爾外場線性響應(yīng)的SU(2)Kubo公式。我們發(fā)現(xiàn)，自旋流滿足的協(xié)變形式連續(xù)性方程保

5、證了SU(2)Kubo公式在兩種不同規(guī)范固定下的自洽性。我們計(jì)算了具有Rashba或Dresselhaus自旋軌道耦合的系統(tǒng)中自旋密度及自旋流密度對(duì)SU(2)外場的線性響應(yīng)。結(jié)果表明，當(dāng)不計(jì)入自旋軌道耦合時(shí)，如果系統(tǒng)具有平方色散關(guān)系，那么即使沒有雜質(zhì)存在，該系統(tǒng)的SU(2)自旋電導(dǎo)率也依然為零。這是由SU(2)李代數(shù)生成元之間的反對(duì)易關(guān)系導(dǎo)致的。此外，我們還將SU(2)Kubo公式推廣到了自旋3/2表示。這方便了我們討論Luttinge

6、r模型和耦合的雙層二維電子氣系統(tǒng)中的自旋輸運(yùn)問題。
　　 我們研究了雙層二維電子氣中的自旋霍爾電導(dǎo)率以及隧穿自旋流。結(jié)果表明，自旋霍爾電導(dǎo)率在能量簡并點(diǎn)附近出現(xiàn)峰值，并且無窮小濃度的非磁性雜質(zhì)并不能將其壓制為零。針對(duì)這一現(xiàn)象，我們提出了相關(guān)的測量方法。另一方面，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩層中的雜質(zhì)強(qiáng)度相同時(shí)，隧穿自旋電導(dǎo)率隨門壓的變化曲線呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)。在考慮了兩層間存在雜質(zhì)強(qiáng)度差后，隧穿自旋電導(dǎo)率的一個(gè)峰值被壓制并改變符號(hào)。此時(shí)，隧穿自旋流