自旋軌道耦合系統(tǒng)中的自旋相關輸運.pdf

1、近年來自旋電子學受到了人們極大的關注，它是研究如何利用電子自旋自由度來開發(fā)電子器件的一門新興學科，這種自旋相關的電子器件被認為是新一代的電子器件。當前的自旋電子學面臨著一些挑戰(zhàn)：包括自旋的產(chǎn)生，調(diào)控和檢測。本文基于非平衡態(tài)格林函數(shù)理論，主要研究在自旋軌道耦合系統(tǒng)中怎樣實現(xiàn)自旋流的產(chǎn)生、調(diào)控以及檢測。
　　 我們首先研究了怎樣利用自旋軌道耦合作用來實現(xiàn)自旋流的產(chǎn)生，并且自旋流流經(jīng)的是一個非磁非自旋軌道耦合的區(qū)域或電極，這樣自旋相干

2、性不會被破壞，自旋馳豫時間長，適合對自旋進行相關操作。具體的研究先是在一個二維電子氣－量子點－二維電子氣的兩終端電路中進行的，其中Rashba或Dresselhaus自旋軌道耦合作用僅存在于二維電子氣電極中，而量子點中沒有任何磁極化和自旋軌道耦合。我們發(fā)現(xiàn)當來自自旋軌道耦合的贗磁場不共線時，系統(tǒng)中有平衡自旋流流過量子點，并且它的極化方向是垂直于二維電子氣平面的；在弱耦合情形下，它的大小正比于兩邊贗磁場間夾角θ的正弦值；而在強耦合時，自旋

3、流則表現(xiàn)出明顯的非正弦行為。隨后，我們還研究了一個中間散射區(qū)存在含時振蕩的自旋軌道耦合作用兩端為普通的非磁非自旋軌道耦合電極的兩終端電路系統(tǒng)，我們發(fā)現(xiàn)無論系統(tǒng)是二維的還是一維的，只要中間散射區(qū)的自旋軌道耦合作用中同時含有靜態(tài)與動態(tài)部分，系統(tǒng)中就會有隧穿自旋流存在且不伴隨任何隧穿電流；而且，產(chǎn)生的隧穿自旋流不論其大小還是自旋極化方向都可以通過電學方法改變系統(tǒng)參數(shù)來加以調(diào)控。
　　 其次，我們研究了在Rashba量子環(huán)系統(tǒng)中怎樣實現(xiàn)

4、自旋流的操作從而產(chǎn)生任意自旋極化度的電流。該系統(tǒng)的主體為一個存在Rashba自旋軌道耦合作用且在某支環(huán)臂上含有一量子點的量子環(huán)，其中量子點上被施加了用來產(chǎn)生自旋流的旋轉磁場。利用非平衡態(tài)格林函數(shù)方法，我們推導出了普通電極和各支環(huán)臂中的電流、自旋流的表達式，并在此基礎上進行了數(shù)值計算，我們發(fā)現(xiàn)在旋轉磁場的作用下，電極以及不含量子點的環(huán)臂中會出現(xiàn)自旋極化電流而含有量子點的環(huán)臂中則只會出現(xiàn)純自旋流。更重要的發(fā)現(xiàn)是，只需調(diào)節(jié)一些系統(tǒng)參數(shù)便可以任

5、意地控制電極以及環(huán)臂中自旋極化電流的大小和自旋極化度，從而在所研究的系統(tǒng)中實現(xiàn)對電子自旋的任意調(diào)控，這有助于實現(xiàn)新型的基于自旋的電子器件。
　　 最后，我們研究了怎樣用電學的方法實現(xiàn)對純自旋流的檢測。我們首先提出了一種利用電子自旋共振來探測前面所研究的平衡自旋流的方案，其中自旋共振發(fā)生于自旋流流經(jīng)的中間散射區(qū)。研究表明，在系統(tǒng)中原本就存在平衡自旋流的情況下，旋轉磁場引起的自旋共振會破壞系統(tǒng)的動力學時間反演對稱性從而導致非零電流的

6、出現(xiàn)。于是，通過對產(chǎn)生的電流的檢測我們便可以實現(xiàn)對平衡自旋流的間接探測。同時我們也研究了利用Rashba環(huán)中的量子干涉效應來探測自旋偏壓的可行性。通過非平衡態(tài)格林函數(shù)方法，我們計算了外加自旋偏壓時兩終端Rashba環(huán)系統(tǒng)中的隧穿電流。結果顯示，Rashba環(huán)中的量子干涉效應會對自旋偏壓驅(qū)動的純自旋流發(fā)生作用，使得原本大小相等方向相反的自旋向上和向下的電流分離開來，從而產(chǎn)生非零的隧穿電流，這個隧穿電流不但可以被用來推斷自旋偏壓的大小還可以