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《半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应_常凯》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第28卷第3期物理学进展Vol.28No.32008年9月PROGRESSINPHYSICSSep.2008文章编号:1000-0542(2008)03-236-27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,北京100083)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Rashba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
2、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D'yakonov-Perel'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CdHgTe/CdTe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
3、霍尔效应中图分类号:O472+.4,O471.5文献标识码:A0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
4、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磁矩(即自旋)。电场控制电荷及其轨道运动;而磁场可以操控磁矩及其自旋动力学。对在真空中慢速运动的电子来说,以上的简单图像足够的精
5、确。然而,在晶体周期场中运动的电子来说,即便它的平均速度较慢时,以上的物理图像也会变得非常不同。电子的运动包含了围绕着原子核的轨道运动,而这种运动由于速度较快,因而展现出相对论效应。在相对论情形下,电子的自旋和轨道运动耦合在一起,不再是相互独立的运动。因此,电场是通过控制电子的轨道运动而间接地控制电子自旋的。关于电子的自旋轨道耦合的起源,有一个直观但较简单粗糙的物理图像。我们考虑一个电子在真空中运动,假定我们在实验室参照系中施加一恒定的电场,由相对论中洛仑兹变换,我们知道在电子的运动参照系中存在一个磁场,即运动的电荷会感受到一个磁场的作用。从洛仑兹变换可以知道,磁场的大小和方向都
6、收稿日期:2008-04-18基金项目:国家自然科学基金(编号)和中科院知识创新工程的资助。第3期常凯,杨文:半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应237是和电子运动的方向和速度有关的。电场对电子自旋的操控还可以从体系的对称性角度来理解。物理体系的对称性总是对应物理量的守恒。如空间平移对称性对应体系动量守恒;时间平移对称性对应体系能量守恒;空间转动对称性对应角动量守恒等。下面我们讨论空间、时间反演对称性对自旋劈裂的影响。在空间反演变换(用P表示)下,位置本征态x〉,动量本征态k〉,角动量本征态j,m〉,及Bloch态n,k,σ〉按下式变换:px〉※x〉=-x〉pp〉-p〉=-p〉pj
7、,m〉※j,m〉=j,m〉pn,k,σ〉※n,k,σ〉=n,-k,σ〉p当体系具有空间反演对称性时,由定态薛定谔方程Hn,k,σ〉=En,k,σn,k,σ〉的空间反演Hn,k,σ〉=pEn,k,σn,k,σ〉,即Hn,-k,σ〉=En,k,σn,-k,σ〉可知En,k,σ=En,-k,σ。在时间反演变换(用T表示)下,位置、动量、角动量本征态及Bloch态按下式变换:Tx〉※x〉=x〉Tp〉※p〉=p〉Tj,m〉※j,m〉=j,-m〉Tn,k,σ〉※n,k,σ〉=n,-k,-σ〉
