半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应-物理学进展.PDF

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半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应-物理学进展

卷 理 进 展 年 月 文章编号 半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应 常 凯杨 文 中国科学院半导体所超晶格与微结构国家重点实验室北京 摘要 本文主要评述和介绍半导体微结构中自旋轨道耦合的研究和最近的研究进展我们细致地讨论了半导 体微结构中自旋轨道耦合的物理起源和窄带隙半导体量子阱中的自旋霍尔效应我们发现目前国际上广泛采用 的线性 模型在较大的电子平面波矢处失效即自旋轨道耦合导致的能带自旋劈裂不再随电子波矢的增加 而增加而是开始下降即出现强烈的非线性行为这种非线性的行为起源于导带和价带间耦合的减弱这种非 线性行为还会导致电子的 自旋弛豫速率在较高能量处下降与线性模型的结果完全相反在此 基础上我们构造统一描述电子和空穴自旋霍尔效应的理论框架我们的方法可以非微扰地计入自旋轨道耦合对 本征自旋霍尔效应的影响我们将此方法应用于强自旋轨道耦合的情形即窄带隙 半导体量子 阱我们发现调节外电场或量子阱的阱宽可以作为导致量子相变和本征自旋霍尔效应的开关我们的工作可能 会为区别和实验验证本征自旋霍尔效应提供物理基础 关键词 半导体自旋轨道耦合自旋弛豫自旋霍尔效应 中图分类号 文献标识码 引言 随着微电子技术的迅猛发展半导体芯片的集成度愈来愈高这给我们带来了两方面的问题和挑战 一方面是芯片的功耗及其相关的散热问题另一方面是由于器件尺度减小而带来的量子效应问题由于改 变电子自旋状态所消耗的能量远低于改变电荷状态所消耗的能量如果我们利用半导体中载流子的自旋自 由度来实现已有的半导体器件的功能的话功耗的问题将迎刃而解半导体自旋电子学试图利用电子的自 旋自由度来构造和实现传统的电子学器件的功能 自旋是电子的内禀自由度是一种奇特的量子性质但到目前为止尚无任何实际的半导体器件应用 通常人们都利用磁场使得电子产生自旋劈裂并操控自旋的状态但是磁场在半导体器件中是难于实现的 因此从半导体器件实用化的角度考虑人们更希望利用易于实现的电场来操控电子自旋但是从直觉上讲 我们知道电场通常直接控制的是电子的空间轨道运动 有趣的问题是我们是否有可能通过电场控制电子自旋 当电子的电荷和自旋自由度耦合起来时会产 生什么新奇的物理现象呢 我们可以设计出什么样的新型电子器件呢 由电场控制电子自旋与传统的磁场控制的物理机制是完全不同的教科书通常告诉我们电子同时具有 电荷和

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