凝聚態(tài)物理中的反常電子自旋-軌道性質(zhì).pdf

1、本論文研究凝聚態(tài)物理中的反常電子自旋—軌道性質(zhì)。特別地，我們著重研究了反常電子自旋—軌道性質(zhì)對(duì)不同物理系統(tǒng)中的霍爾效應(yīng)（如反常霍爾效應(yīng)、量子霍爾效應(yīng)、自旋霍爾效應(yīng)等）和一些靜態(tài)物理量（如軌道磁矩、磁化率等）的影響。這些系統(tǒng)包括具有拓?fù)湫再|(zhì)的二維鐵磁Kagomé格子、三維反鐵磁面心立方格子、Haldane模型和幾種常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料模型，如二維電子氣系統(tǒng)、二維空穴氣體系統(tǒng)、Luttinger模型等。研究表明:這些物理系統(tǒng)中的各種霍爾效應(yīng)，以

2、及靜態(tài)物理量的奇異性質(zhì)都同電子的自旋—軌道性質(zhì)有關(guān)。
　　第二、三兩章我們利用有限溫度下軌道磁矩的普遍多帶公式，從理論上研究了具有拓?fù)湫再|(zhì)的二維鐵磁Kagomé格子和三維反鐵磁形變立方格子中的軌道磁矩及其對(duì)熱電輸運(yùn)和磁極化率的影響。研究表明，組成軌道磁矩的兩部分，即傳統(tǒng)項(xiàng)和Berry相位修正項(xiàng)，貢獻(xiàn)相反。特別是，我們發(fā)現(xiàn)軌道磁矩在金屬區(qū)和絕緣區(qū)展示出完全不同的行為，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)項(xiàng)和Berry相位修正項(xiàng)在這兩種區(qū)域所起作用不同所致。

3、此外還計(jì)算了反常Nernst電導(dǎo)，其隨電子Fermi能的變化具有起伏的峰—谷結(jié)構(gòu)。另外對(duì)于三維反鐵磁形變立方格子，我們還推導(dǎo)了軌道磁矩同霍爾電導(dǎo)的一個(gè)特殊關(guān)系，即軌道磁矩與反?；魻栯妼?dǎo)成正比。從而得到對(duì)于三維反鐵磁形變立方格子，其軌道磁矩具有和本征量子霍爾電導(dǎo)完全一致的拓?fù)淦鹪础?br>　　第四章我們研究了幾種半導(dǎo)體材料模型中的軌道磁矩，包括二維電子氣體系統(tǒng)、二維空穴氣體系統(tǒng)和Luttinger模型。另外，對(duì)Haldane模型中的軌道磁

4、矩和霍爾電導(dǎo)也進(jìn)行了簡(jiǎn)要的說(shuō)明。
　　第五章我們研究了邊界態(tài)效應(yīng)和/或Rashba自旋—軌道作用對(duì)二維電子氣樣品中磁化強(qiáng)度的影響。研究表明:沒(méi)有邊界態(tài)存在時(shí)，自旋—軌道耦合會(huì)改變磁化強(qiáng)度隨外磁場(chǎng)規(guī)則變化的鋸齒狀dHvA振蕩行為;而當(dāng)沒(méi)有自旋—軌道耦合時(shí)，邊界態(tài)效應(yīng)又會(huì)使得隨著外磁場(chǎng)趨于零，鋸齒狀的磁化強(qiáng)度振蕩中心不趨于零。這種行為不同于沒(méi)有邊界態(tài)效應(yīng)時(shí)磁化強(qiáng)度的行為。外磁場(chǎng)越弱，邊界態(tài)效應(yīng)和自旋—軌道耦合的破壞越顯著。
　　

5、第六章我們研究了具有自旋各向異性的二維鐵磁Kagomé格子中的手性邊界態(tài)。在強(qiáng)自旋耦合情形，我們推導(dǎo)了計(jì)算邊界態(tài)的Harper方程。我們發(fā)現(xiàn)在每個(gè)體帶隙中具有兩個(gè)邊界態(tài)，它們對(duì)應(yīng)復(fù)能量Riemann面上Bloch函數(shù)的兩個(gè)零點(diǎn)。隨動(dòng)量參數(shù)變化的邊界態(tài)能量所形成的環(huán)路穿過(guò)Riemann面上的孔洞。當(dāng)Fermi能位于體帶隙中時(shí)，量子霍爾電導(dǎo)由穿過(guò)孔洞的邊界態(tài)纏繞數(shù)給出，其結(jié)果為σedgexy=-e2/hsgn(sinφ)，其中φ是自旋手性參

6、數(shù)。在一般自旋耦合情形，研究表明:系統(tǒng)仍可發(fā)生量子霍爾效應(yīng)。在一定條件下，還會(huì)出現(xiàn)量子數(shù)為2的現(xiàn)象。這些結(jié)論與拓?fù)潴w理論給出的結(jié)果相一致。
　　第七、八兩章我們?cè)敿?xì)介紹了守恒自旋流的微觀理論，并研究了兩種系統(tǒng)中的守恒自旋流。一種系統(tǒng)為既具有Luttinger自旋—軌道耦合，又具有空間反射不對(duì)稱的Rashba自旋—軌道耦合的二維空穴氣體，研究發(fā)現(xiàn):守恒自旋流的兩部分對(duì)自旋霍爾電導(dǎo)的貢獻(xiàn)相反。沒(méi)有Rashba自旋劈裂時(shí)，自旋霍爾輸運(yùn)主

7、要來(lái)自傳統(tǒng)項(xiàng)。一旦具有Rashaba自旋劈裂，自旋偶極矩修正項(xiàng)會(huì)突然增強(qiáng)很多，從而使得總的自旋霍爾電導(dǎo)發(fā)生一個(gè)整體的方向改變。另一種系統(tǒng)是垂直外磁場(chǎng)中的二維電子氣，研究發(fā)現(xiàn):在外磁場(chǎng)為特定值時(shí)，自旋—軌道耦合同Zeeman劈裂的互相競(jìng)爭(zhēng)會(huì)導(dǎo)致不同Landau能級(jí)間的額外簡(jiǎn)并。這些簡(jiǎn)并如果發(fā)生在Fermi面，會(huì)使得自旋霍爾電導(dǎo)的兩部分同時(shí)發(fā)生共振。特別是，在外磁場(chǎng)變化的很大范圍內(nèi)，這兩部分具有相同的方向，從而使得總的自旋霍爾電導(dǎo)增強(qiáng)。而且