受限半导体纳米系统中自旋动力学以及自旋调控理论的的研究论文

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1、摘要自旋电子学作为一个由多学科交叉而形成的新兴的领域。以自旋自由度为研究对象并以发展新型的可以替代传统电子学器件的自旋电子学器件为目标，在近十年之间取得了令人瞩目的进展。在实现自旋电子学器件中有两个非常重要的问题，即如何延长自旋去相干时间和扩散长度，以及如何有效的控制自旋；因此在物理上理解自旋弛豫／去相位和自旋扩散／输运过程是非常必要的。本论文主要内容集中在受限半导体纳米结构如量子点、量子线以及量子阱系统中的自旋弛豫／去相位过程以及量子阱系统的自旋扩散／输运过程的研究。同时研究了THz场对两维电子气中自旋的调控作用，以及外禀自旋霍尔效应的动力学过程。本文首先

2、简单的回顾自旋电子学的发展，主要集中在半导体系统中自旋极化的产生、探测以及在半导体内部的弛豫和输运过程。然后我们回顾了半导体系统中对自旋弛豫过程有着重要影响的自旋轨道藕合的物理来源，给出如何从8x8Kane模型中得到Dresselhaus、Rashba以及Elliott—YafetfEY)自旋轨道耦合。然后给出电子系统在三维系统以及约束系统中哈密顿量的具体表示形式，其中包括电子一杂质散射、电子一声子散射以及电子一电子散射。紧接着我们回顾了导致自旋弛豫的各种机制以及理论上的处理方法。对于简单的两能级系统，可以使用费米黄金规则和运动方程计算自旋弛豫／去相位时间。

3、相比较而言，运动方程方法可以直接给出自旋极化的时间演化过程，可以扩展到包括了很多能级的系统中的自旋弛豫过程。而对于自旋系综，导致自旋弛豫／去相位机制主要包括Elliott—Yafet机制、D’yakonov-Perel’(DP)机制、Bir-Aronov-PikusfBAP)机制、和原子核之间的超精细相互作用导致的自旋弛豫以及非均匀扩展引起的自旋弛豫／去相位机制。然后我们回顾了使用动力学自旋Bloch方程在自旋弛豫／扩散方面的研究。在对单体问题的研究中，我们先考虑的是量子点系统中的自旋弛豫过程。用完全对角化的方法求出包括了自旋轨道耦合在内的量子点系统的波函数

4、后，利用费米黄金规则求出在不同的能量本征态之间由电子一声学声子导致的弛豫时间。我们发现在GaAs量子点中电子．压电声子导致的自旋弛豫占主导地位。我们的结果指出以往所采用微扰方法仅仅求解Zeeman能级之间的自旋弛豫时间是不充分的：他们所没有考虑的自旋轨道耦合引起的能量二阶修正、高能级对低能级的波函数的修正，对自旋弛豫过程都有着非常重要的贡献。同时详细研究了自旋弛豫时间对磁场、量子点半径、量子阱的阱宽以及温度的依赖关系。接着我们研究了强THz场对两维电子气的调控作用。我们用Floquet定理严格求解包括自旋轨道耦合的薛定谔方程，利用求出的波函数得到态密度以及自

5、旋极化密度。我们发现，THz场对态密度和自旋极化密度有非常大的影响。并中文摘要且可以在垂直于THz电场方向上诱导出一个THz的磁矩。我们指出这个效应可以用来把THz的电信号转化成THz的磁信号。在对多体问题的研究中，通过求解动力学自旋Bloch方程，我们研究了量子线和量子阱系统中的自旋弛豫／去相位与自旋扩散／输运问题。首先我们研究了InAs量子线中由可以通过电场调节的Rashba自旋轨道耦合所导致的自旋弛豫过程。我们发现在外加磁场方向垂直于量子线生长方向时，沿着量子线方向的自旋极化的自旋弛豫时闻可以由界面电场调控；而当磁场沿着量子线方向，垂直于量子线生长方向

6、的自旋极化的弛豫时间与界面电场方向无关。同时，在量子线系统中的非均匀扩展可以用自旋进动频率的均方差很好的描述。接着我们在等强度的Dresselhaus和Rashba自旋轨道耦合的GaAs量子阱中研究了不同的统计平衡态一基于Helix态的Helix统计与基于Collinear态的Collinear统计一对自旋弛豫的影响。我们发现这两种统计下的自旋弛豫时间几乎没有差别，并且自旋极化方向表现出很强的各向异性。在不考虑Dresselhaus自旋轨道耦合三次项的贡献时，沿着(110)方向的自旋弛豫时间是无穷长而其他方向的却非常的短；即使考虑了三次项的贡献，它也要远比其

7、他两个方向的长。我们仔细讨论了沿着(110)方向的自旋弛豫时间随着外界条件的变化。在输运问题中，我们采用一套新的数值计算方法自洽求解空间不均匀的动力学自旋Bloch方程及泊松方程，在计入所有散射特别是电子一电子散射以后重新研究在n型f001)一GaAs量子阱的自旋扩散问题。我们发现即使没有外磁场时，自旋极化也会在扩散方向上有振荡，并且振荡周期与外加电场无关。在散射足够强的时候一内禀的散射如电子一电子散射就已经满足了这个条件一不同动量的电子自旋具有相同的振荡频率以及相位，导致横向的自旋注入长度和系综的横向注入长度相等。进一步我们研究了自旋扩散／输运长度的散射、

8、温度、量子阱宽、磁场以及电场的依赖关系。接着我们研究