Rashba自旋轨道耦合系统中的逆自旋霍尔效应

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1、Rashba自旋轨道耦合系统中的逆自旋霍尔效应东南大学，．．一硕士学位论文研究生姓名：张敬敬导师姓名：汪军系别：物理系专业：凝聚态物理InVerseSpinHallEf

2、陀ctinRashbaSpin-OrbitCouplingSystemADissertationSubmittedtoSoutheastUniVersityFortheAcademicDegreeofMasterofScienceBYZ地钒GJin商ingSupervisedbyPro￡WrANGJunDepartmentofPhysicsSoutheastUniVers

3、ityJanuary20102Ⅲ5㈣6Ⅲm1蛐4Ⅲ5㈣7⋯Ⅲ1眦Y东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：熬盔塑日期：呈鲤!：l东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件

4、和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括以电子信息形式刊登)论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布(包括以电子信息形式刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：复燃导师签名：3R期：型竺：f摘要捅要自旋电子学是凝聚态物理学中最活跃的研究领域之一，它是研究利用电子的自旋自由度来制造电子器件的一门学科，不仅在信息工业中有着重要的应用前景，而且也是凝聚态物理的一个基础学科。自旋电子学所面临的主要挑战是如何在半导体材

5、料中实现自旋注入、自旋控制和自旋检测。本文将主要研究在介观系统中的逆自旋霍尔效应性质以及它引起的电荷积累效应。具体研究内容和基本结果如下：第一章，介绍了自旋电子学的起源与发展，自旋电子学中经常用到的概念，半导体自旋电子学的发展和应用以及自旋霍尔效应和它的逆过程。第二章，介绍了二维半导体系统中两种自旋轨道耦合相互作用：Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合作用，推导了它们的哈密顿量以及本征值和本征态。另外还简要介绍了介观电子系统及常用的I掘h蒯蛔公式、散射矩阵方法。这有利于我们借助以上方法来研究本文的内容。第三章，我们对两端接有理

6、想导线的、有Rashba自旋轨道耦合作用的二维电子气(2DEG)纳米器件中的逆自旋霍尔效应进行了理论研究。基于两点模型和Keldvsh格林函数方法，我们推导了逆自旋霍尔效应中电流的解析表达式，它清晰地反映了非零的横向电荷流是Rashba自旋轨道耦合，自旋偏压以及它的自旋极化方向共同作用的结果。进一步，我们在更大的样品系统而非两格点模型中，也进行了数值计算，发现逆自旋霍尔效应形成的电荷流的大小依赖自旋轨道耦合强度，电子费米能和样品尺寸。这些特性对自旋轨道耦合系统中有效的进行自旋流(自旋偏压)的电探测可能提供很大帮助。第四章，我们理论研究了由

7、逆自旋霍尔效应导致的电荷累积，其模型是由存在Rashba／Dresselhaus自旋轨道耦合作用(SOI)的2DEG量子线构成的，并且量子线的两端接有铁磁电极。在非平衡情况下，当外部电压驱动的自旋极化方向沿2DEG平面法线方向的自旋流流过SOI区域时，量子线的两个横向边缘就会有电荷累积(霍尔电压)，两个铁磁电极的磁化方向影响霍尔电压的大小，当它们平行或反平行2DEG平面的法线时，霍尔电压达到最大值。在平衡情况下，当两铁磁电极的磁化方向非共线时也能产生霍尔电压。当其中一个铁磁电极替换为正常金属电极时，在加偏压时，量子线中仍有电荷累积，并且其

8、大小与替换前的相同，然而在没有加偏压时，霍尔电压变弱甚至会消失。关键词：自旋轨道耦合；逆自旋霍尔效应；自旋霍尔效应；Kcldysh格林函数AbslractAbstl．actSpintlon洒isoneofthemostactiveresearchfieldsincondensedmatterphysicsanditaimst0makespin_basedsemiconductorelectronicdeVicesbyusingthespinde黟eeof行eedomofelectron，ithasfundamentalinterestin

9、C0ndensematterphysicsandagreatapplicationpotentialininfo肿ationindustry．Tllemainchallengesinspint