具有自旋轨道耦合的二维电子系统自旋动力学的研究

摘要

自旋弛豫和自旋退相使非平衡自旋趋于平衡，是自旋电子学中一个相当重要的研究课题.对自旋弛豫和自旋退相机制的理解能帮助人们有效操控器件中的电子自旋，在本论文中，我们研究了应变对二维电子系统中电子自旋弛豫的影响、电子-电子相互作用对自旋弛豫的影响以及抛物型量子阱中电子自旋操控效率对应变强度的依赖关系.具体内容如下：
　　 1、第一章是自旋电子学的简单介绍，第二章是自旋弛豫时间计算方法和自旋弛豫机制的简单介绍.
　　 2、在第三章，我们用SU(2)Yang-Mills场描述自旋轨道耦合相互作用，包括Rashba型、Dresselhaus型和应变诱导的自旋轨道耦合相互作用.我们考虑的系统是U(1)外磁场和SU(2)Yang-Mills场作用下的二维电子系统.我们用密度矩阵方法分别计算了无外磁场和有外磁场情况下电子自旋弛豫时间，分析了两种情况下自旋弛豫时间为无穷所需要满足的条件.当系统中无外磁场作用时，我们得到两个条件：(1)α=β，γ1=O(2)α=-β，γ2=0.当这两个条件中任一个成立时，SU(2)Yang-Mills场的电场和磁场分量均为零，此时电子自旋弛豫时间为无穷长.而当系统中存在外磁场时，我们也得到两个条件：(3)α=β，γl=0，φ=π/2，θ=tan-l(2α/γ2)(4)α=-β，γ2=O，φ=O，θ=-tan?1(2α/γ1).我们发现，这两个条件正好是SU(2)Yang-Mills场的电场和磁场分量为零的条件，此时相应的自旋弛豫时间也为无穷长，我们首次提出如下判据：在二维电子系统中D'yakonov-Perel’自旋弛豫机制占主导的情况下，SU(2)Yang-Mills场的电场和磁场分量均为零时系统的电子自旋弛豫时间为无穷长.
　　 3、在第四章，我们考虑具有Rashba自旋轨道耦合相互作用的二维电子气系统，研究电子-电子相互作用对自旋动力学的影响，我们利用路径积分方法和准经典格林函数方法，求得电荷密度和自旋密度满足的扩散方程，并给出了电子自旋弛豫时间的解析表达式.我们的研究结果表明：电子-电子相互作用使自旋弛豫时间增加；当条件T1?/Teχχ=l或T1?/Teyy=1成立时，自旋密度的χ分量或y分量的弛豫时间为无穷长.
　　 4、在第五章，我们在理论上研究了抛物型量子阱中应变诱导的自旋轨道耦合对自旋操控效率的影响，我们的研究结果表明：在一定的条件下，应变诱导的自旋轨道耦合相互作用会使得自旋翻转跃迁强度增加，即相应的提高了电子自旋的操控效率.我们具体分析了四种类型的系统：(1)D+R型系统：该系统具有本征Dresselhaus型自旋轨道耦合相互作用，应变诱导的自旋轨道耦合相互作用为Rashba型.(2)D+D型系统：该系统具有本征Dresselhaus型自旋轨道耦合相互作用，应变诱导的自旋轨道耦合相互作用为Dresselhaus型.(3)R+R型系统：该系统具有本征Rashba型自旋轨道耦合相互作用，应变诱导的自旋轨道耦合相互作用为Rashba型.(4)R+D型系统：该系统具有本征Rashba型自旋轨道耦合相互作用，应变诱导的自旋轨道耦合相互作用为Dresselhaus型.对于这四种类型的系统，当交变电场的方向从φ=π/4被调到φ=3π/4时，电偶极自旋共振强度随应变强度的增加而表现出不同的变化趋势.

目录

文摘

英文文摘

主要词汇对照表

第一章 自旋电子学简介

1.1 自旋电子学的研究背景

1.2 自旋注入的研究进展

1.2.1 自旋极化的产生

1.2.2 自旋注入的理论研究

1.2.3 自旋注入的实验研究

1.3 半导体自旋电子学简介

1.3.1 半导体中的能带计算

1.3.2 Bychkov-Rashba自旋轨道耦合相互作用

1.3.3 Dresselhaus自旋轨道耦合相互作用

第二章 自旋动力学的研究方法及自旋弛豫机制

2.1 自旋弛豫时间的定义

2.2 自旋弛豫和退相时间的基本计算方法

2.3 四种自旋弛豫机制

2.3.1 Elliott-Yafet自旋弛豫机制

2.3.2 D'yakonov-Perel’自旋弛豫机制

2.3.3 Bir-Aronov-Pikus自旋弛豫机制

2.3.4 超精细相互作用自旋弛豫机制

2.4 半导体中自旋弛豫的研究进展

第三章 应变诱导的自旋轨道耦合相互作用对电子自旋弛豫的影响

3.1 引言

3.2 自旋弛豫时间的计算及物理解释

3.3 高阶修正下的自旋弛豫时间

3.4 外磁场对电子自旋弛豫时间的影响

3.4.1 纵向自旋弛豫

3.4.2 横向自旋弛豫

3.5 本章小结

第四章 电子-电子相互作用对电子自旋动力学的影响

4.1 引言

4.2 辅助玻色场描述电子-电子相互作用

4.3 动力学方程

4.4 扩散方程和电子自旋弛豫的分析

4.5 本章小结

第五章 量子阱中应变辅助的电子自旋操控

5.1 引言

5.2 电偶极自旋共振强度的计算

5.3 具有本征Dresselhaus型自旋轨道耦合的系统

5.3.1 应变诱导Rashba型自旋轨道耦合相互作用

5.3.2 应变诱导Dresselhaus型自旋轨道耦合相互作用

5.4 具有本征Rashba型自旋轨道耦合的系统

5.5 本章小结

第六章 总结和展望

参考文献

攻读博士期间发表论文情况

致谢