自旋轨道耦合系统中的自旋流与自旋霍尔效应.pdf

　第 29 卷 第 4 期 物 　理 　学 　进 　展 Vol . 29 No . 4 　 　2009 年 12 月 PRO GR ESS IN P H YSICS Dec . 2009 　 文章编号 (2009) 自旋轨道耦合系统中的自旋流与自旋霍尔效应 金佩卿 ,李有泉 (浙江大学物理系 ,杭州 3 10027) 摘要 : 　作为自旋电子学的重要研究内容 ,如何在固态系统中产生 、操控以及探测 自旋流引起了研究人员的广泛 兴趣 。基于自旋轨道耦合的自旋霍尔效应为在非磁性半导体中产生 自旋流提供了一种有效途径 。然而 ,在具有 自 旋轨道耦合的系统中 , 自旋流并不守恒 。如何理解这点并恰当地表述相应的连续性方程 ,成为 自旋输运研究的基 本问题之一 。本文主要综述自旋轨道耦合系统中自旋流与自旋霍尔效应方面的研究进展 。引入 SU (2) 规范势后 , 自旋流满足协变形式的连续性方程 ,该方程保证了 SU (2) Kubo 公式在不同规范固定下的自洽性 。利用 SU (2) 场 强张量 ,可以直接得到自旋密度和 自旋流在 SU (2) 外场中受到的自旋力 ,该力在只有 U ( 1) 磁场时对应于 St ern Gerlach 力 。由于依赖杂质散射的外在 自旋霍尔效应很难被利用 , 内在 自旋霍尔效应的概念被提出:在非磁半导体 中 ,U ( 1) 电场会诱导出自旋流并导致系统边缘处的自旋积累 。自旋霍尔效应已经在半导体和金属材料中被观察 到 。虽然在干净的二维电子气中自旋霍尔电导率是一普适常数 e/ 8π,但杂质对它的影响却引起了人们的高度关 注 。通过引入退相干效应 , 自旋霍尔效应中杂质效应的一些令人困惑的理论结果 ,则得到清晰的解释 。此外 ,本文 还将介绍具有层间隧穿的双层二维电子气中的自旋输运现象 。在能量简并点附近 , 自旋霍尔电导率和隧穿自旋电 导率均会出现共振现象 。当两层间的杂质势强度存在差异时 , 隧穿 自旋电导率随门压的变化曲线呈现出非对称 性 ,显示出自旋二极管效应 。 关键词 : 自旋流 ; 自旋霍尔电导率 ;连续性方程 ; 自旋力 ;杂质效应 ; SU (2) Kubo 公式 中图分类号 :O569 ;O474 　文献标识码 :A 1988 年 ,法国和德国的两个实验小组先后在铁 ( ) 0 　引言 磁反铁磁薄膜相间的材料中发现了巨磁阻 GM R 效应[ 7 ,8 ] 。这一发现被认 为是 自旋 电子 学 的开 上世纪末 , 自旋电子学因其在信息存储及运算 端[9 ,10 ] 。基于 GM R 效应的自旋阀数据读出磁头大 方面有潜在的应用价值而获得了迅猛发展 。与基于 大推动了硬盘大容量 、小体积的发展进程 ,而基于磁 电荷 自由度的传统电子学不同 , 自旋电子学利用 自 性隧穿结的磁性随机存储器则兼具半导体随机存储 旋自由度作为信息传输的载体[ 1 ,2 ] ,其一主要 目的 器的快速读写及磁性材料不易挥发的特点 。这些金 是实现对固态系统中自旋自由度的有效操控 。 属自旋电子学器件极大地提高了存储介质的性能 。 在早期的研究中 ,人们对 自旋 自由度的关注更 另外 , 由于当今计算机的逻辑运算以及芯片间的通 ( ) 多地集中在磁化强度这一宏观层现 emer gence 上 。 信都是在半导体材料中实现的 ,那么发展半导体材 19