【摘要】：自旋電子學的主要目的是有效地操控固體材料中的自旋(或贗自旋)自由度。對材料中自旋和電荷的動力學及它們的相互影響的理解對自旋電子學的發(fā)展非常重要。針對這一問題,本論文根據(jù)所關(guān)心的物理系統(tǒng)分為三個部分。在第一部分,我們研究半導體及超冷原子中的自旋動力學,其中包括自旋弛豫和自旋擴散。在第二部分,我們研究單層和雙層過渡金屬硫?qū)倩镏杏杉ぷ右鸬墓葮O化的動力學,其中包括谷去極化動力學和激子的谷霍爾效應。最后在第三部分,我們集中研究s-波和(s+p)-波超導體中Bogoliubov準粒子和凝聚體的自旋及電荷動力學。第一部分,從第1章到第4章,我們集中研究超冷原子以及半導體中的自旋動力學。在第1章,我們綜述了半導體自旋電子學的背景及其在超冷原子自旋動力學中的應用。我們首先綜述了半導體中自旋的產(chǎn)生,自旋的檢測,自旋的弛豫以及自旋的擴散。其中,我們介紹了自旋霍爾效應,主要的自旋弛豫機制(其中包括D'yakonov-Perel',Elliott-Yafet和Bir-Aronov-Pikus機制)和文獻中對自旋擴散的理解(其中包括漂移-擴散模型和非均勻擴展圖景)。然后我們簡要地介紹了超冷原子物理的背景,以及最近實現(xiàn)的自旋軌道耦合的超冷原子及其實驗進展。在第2章中,我們發(fā)現(xiàn)在超冷的自旋軌道耦合40K費米氣中,當塞曼能遠比自旋軌道耦合能大時,D'yakonov-Perel'自旋弛豫是反常的。我們考慮了自旋極化垂直和平行于有效塞曼場的橫向和縱向兩種構(gòu)型。我們發(fā)現(xiàn)當自旋極化小時,橫向自旋弛豫可分成四個而不是通常的兩個區(qū)域:正常弱散射區(qū),反常類DP區(qū),反常類EY區(qū)和正常強散射區(qū)。當自旋極化大時,我們揭示Hartree-Fock自能,作為有效磁場,能夠極為有效地抑制弱散射區(qū)中的自旋弛豫。在InAs(110)量子阱中,當處在Voigt構(gòu)型下的磁場遠比自旋軌道耦合場大時,我們進一步揭示了Hartree-Fock自能對反常D'yakonov-Perel'自旋弛豫的影響。對于橫向構(gòu)型,我們發(fā)現(xiàn)自旋弛豫對Hartree-Fock有效磁場非常敏感。我們揭示即使非常小的自旋極化(P = 0.1%)也能夠顯著地影響自旋弛豫的行為。并且,當體系具有中等自旋極化時,我們發(fā)現(xiàn)Hartree-Fock場能夠促進而不是抑制橫向自旋弛豫。這些特點與通常情形都很不相同。在上述構(gòu)型中我們理解了自旋弛豫的反常之處后,我們期待相同構(gòu)型中自旋擴散也呈現(xiàn)反常的特點。在第3章中,我們研究了超冷的自旋軌道耦合40K費米氣中穩(wěn)態(tài)的自旋擴散。我們發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)自旋擴散的行為由三個特征長度決定:平均自由程,塞曼振蕩長度和自旋軌道耦合振蕩長度。我們解析上揭示并且數(shù)值上驗證通過調(diào)節(jié)散射強度,系統(tǒng)可分為五個區(qū)域,其中穩(wěn)態(tài)自旋極化在空間演化的行為非常豐富,其對散射強度、塞曼場和自旋軌道耦合強度的依賴關(guān)系非常不同。不同區(qū)域中自旋擴散的豐富行為很難用文獻中簡單的漂移-擴散模型和直接的非均勻擴展圖景來進行理解。然而,幾乎所有這些豐富的行為能夠用我們提出的修正的漂移-擴散模型和/或修正的非均勻擴展圖景來理解。特別地,我們揭示了自旋擴散的幾個反常特點,其與從簡單的漂移-擴散模型和直接的非均勻擴展圖景所得到的十分不同。除了研究D'yakonov-Perel'自旋弛豫機制之外,我們也研究了本征鍺中的Elliott-Yafet自旋弛豫機制。在第4章中,我們研究了本征鍺中熱電子效應對由電學方法注入的電子自旋弛豫的影響,并將其與當時在自旋注入構(gòu)型下的輸運實驗[Phys.Rev.Lett.111,257204(2013)]進行了比較。我們的計算結(jié)果與實驗結(jié)果符合得很好。我們揭示在低溫下,當存在即使很弱的電場時,Elliott-Yafet自旋弛豫能夠被顯著加快。這是因為鍺中電聲相互作用非常弱,從而電場能夠在體系中誘導出明顯的質(zhì)心漂移。這能夠解釋實驗觀測和前面理論計算[Phys.Rev.B 86,085202(2012)]之間的分歧:低溫時,前面理論計算比實驗結(jié)果要大約兩個量級。第二部分,從第5章到第8章,我們集中研究單層和雙層過渡金屬硫?qū)倩颩X2(M=Mo,W;X=S,Se)中由于電子-空穴交換相互作用引起的谷去極化動力學及激子的谷霍爾效應。在第5章中,我們綜述了在最近實現(xiàn)的單層和雙層MX2中谷動力學的實驗和理論進展。在單層MX2中,我們分別介紹了與自由載流子、激子和荷電激子有關(guān)的谷動力學。特別地,我們綜述了最近實現(xiàn)谷極化的產(chǎn)生及探測其弛豫的豐富的實驗。在雙層MX2中,我們強調(diào)了實驗中呈現(xiàn)出的激子動力學的新特點。我們也介紹了過渡金屬硫?qū)倩锂愘|(zhì)結(jié)及其電荷轉(zhuǎn)移動力學。我們在第6章推導了單層MoS2中的電子-空穴交換相互作用,接著研究了由該交換相互作用引起的谷去極化動力學。我們發(fā)現(xiàn)長程和短程交換相互作用兩者都能夠引起谷間和谷內(nèi)發(fā)光激子的轉(zhuǎn)變。但是由于價帶大的能量劈裂,谷內(nèi)發(fā)光激子轉(zhuǎn)變通道幾乎禁戒。從而,由于Maialle-Silva-Sham機制[Phys.Rev.B 47,15776(1993)],由交換相互作用提供的谷間通道能夠有效地引起谷去極化。當僅考慮交換相互作用的長程部分時,我們的計算結(jié)果與最近的谷極化實驗,包括時間分辨的谷極化測量、泵浦-探測實驗和穩(wěn)態(tài)的光學熒光極化測量相吻合。進一步,受最近Zhu等人的光學熒光實驗[PNAS 111,11606(2014)]的啟發(fā),在第7章中,我們研究了雙層WS2中光激發(fā)譜和光學熒光去極化動力學。我們提出了對光學熒光譜的一種不同理解�？紤]到雙層WS2中同時存在層內(nèi)激子和電荷轉(zhuǎn)移激子,我們發(fā)現(xiàn)由于空穴的層間躍遷,兩者的相互疊加可以構(gòu)成準分子(excimer)態(tài)。相應地,實驗中觀察到的四種光學激發(fā)分別計算為A-電荷轉(zhuǎn)移激子,A'-excimer,B'-excimer和B-層內(nèi)激子。這些態(tài)與實驗所推測的Γ-谷非直接激子,trion,A-激子和B-激子不同。我們接著推導了雙層WS2中電子-空穴交換相互作用,并且研究了其引起的光學熒光去極化動力學。反常地,我們發(fā)現(xiàn)演化過程中總是存在一個為初始極化一半的剩余光學熒光極化,其持續(xù)無窮長的時間并且對初始的能量展寬和動量散射強度非常皮實。這一大的穩(wěn)態(tài)光學熒光極化意味著光學熒光弛豫時間非常長,從而可能是Zhu等人在雙層WS2中所觀察到的接近100%、反常大的光學熒光極化的原因。我們進一步看到在單層和雙層MX2中,上述電子-空穴交換相互作用是非常強的,其能夠有效地改變激子的能譜。這樣,在第8章中,我們揭示了激子能譜的修正對單層和雙層MoS2中谷去極化動力學的影響�？紤]了交換相互作用對激子能譜的修正,我們也能夠研究由交換相互作用引起的激子的谷霍爾效應。對于谷去極化動力學,在單層MoS2中,我們發(fā)現(xiàn)在強散射區(qū),通常強散射區(qū)中的運動致窄圖景不再正確,因為一個新的谷去極化通道被打開。對于激子的谷霍爾效應,在單層和雙層MoS2中,考慮到施加的單軸應變所引起的平衡態(tài)的漂移,我們發(fā)現(xiàn)交換相互作用能夠引起谷/光學熒光霍爾流。特別地,我們揭示了谷霍爾電導對無序勢強度的依賴。在強散射區(qū),隨著無序勢強度的增加,谷霍爾電導減少;而在弱散射區(qū),谷霍爾電導飽和為一個常數(shù)。由于不受泡利阻塞效應,這一常數(shù)值可以比費米系統(tǒng)中的遠大。第三部分,從第9章到第14章,我們分別在弱和強自旋軌道耦合極限下,研究了超導態(tài)半導體量子阱中準粒子和凝聚體的自旋及電荷動力學。在第9章中,我們介紹了超導金屬中的準經(jīng)典動力學方程,其中包括Gor'kov方程,Eilenberger方程,Usadel方程和Ginzburg-Landau方程。所有這些方程都可以用非平衡格林函數(shù)方法建立起來。然后,我們介紹了三態(tài)超導電性及其在不同材料系統(tǒng)中的可能實現(xiàn),其中包括3He超流體及非常規(guī)超導體Sr2RuO4,具有界面自旋軌道耦合的常規(guī)超導體,非中心反演對稱超導體,和常規(guī)超導體與鐵磁體界面。在第10章中,我們首先介紹常規(guī)超導體中電荷失衡和自旋失衡的概念,以及實驗和理論所揭示的電荷失衡及自旋失衡的動力學,包括其產(chǎn)生與弛豫。然后我們綜述了理論和實驗對常規(guī)超導體中線性及非線性光學響應的研究,其中重點介紹超導體對THz光場的響應,其光子能量在超導能隙附近。在非線性光學響應中,我們介紹了超導體中Nambu-Goldstone模,Higgs模以及Leggett模的概念及其在光學激發(fā)過程中的動力學。在第11章中,在弱自旋軌道耦合極限下,在近鄰于s-波超導體的GaAs(100)量子阱中,我們研究了超流速度可調(diào)控的準粒子態(tài)下的準粒子自旋弛豫。我們闡明GaAs(100)量子阱中準粒子態(tài)可用超流速度進行調(diào)控。在超流速度驅(qū)動的準粒子態(tài)中,我們發(fā)現(xiàn)準粒子的費米面由兩個弧所組成(稱為費米弧),其分別由類電子和類空穴分支所貢獻。當費米弧出現(xiàn)后,當超導序參量趨于零時,我們發(fā)現(xiàn)D'yakonov-Perel'自旋弛豫是反常的。這是因為此時支間散射是禁戒的。當與準電子和準空穴湮滅相關(guān)的凝聚過程很慢時,這意味著類電子和類空穴費米弧是獨立的。接著,費米弧的非閉合結(jié)構(gòu)使得由自旋軌道耦合提供的有效磁場的角度平均不為零。這一非零值可作為一個有效的塞曼場。即使在強散射區(qū),這一有效塞曼場也能夠引起自旋振蕩。另外,在強散射區(qū),我們發(fā)現(xiàn)費米弧的非閉合結(jié)構(gòu)也導致自旋弛豫對動量散射的不敏感,這與通常的運動致窄情形非常不同。我們接著在第12章中運用準粒子近似下規(guī)范不變的光學Bloch方程研究弱自旋軌道耦合的s-波超導態(tài)量子阱中準粒子和凝聚體對THz光場的響應。特別地,在Bloch方程中,不僅準粒子動力學的微觀描述可以實現(xiàn),凝聚體動力學的影響也能夠包括在內(nèi),其中超流速度和有效化學勢自然地出現(xiàn)。我們揭示超流速度自身能夠?qū)柿Ｗ颖闷之a(chǎn)生貢獻(泵浦效應),而其變化率可貢獻驅(qū)動場從而對準粒子產(chǎn)生驅(qū)動(驅(qū)動效應)。我們發(fā)現(xiàn)只要驅(qū)動出的超導動量比費米動量來得小,以兩倍光場頻率振蕩的Higgs模主要是由驅(qū)動效應而不是泵浦效應所激發(fā)的。這與文獻中用到的Liouville方程或者Bloch方程所得到的結(jié)論非常不同,其中驅(qū)動效應對反常關(guān)聯(lián)的影響被忽略而僅僅泵浦效應被考慮了。更進一步,在規(guī)范不變的光學Bloch方程中,我們基于電荷的兩分量模型自恰地考慮了電荷中性條件。由此,準粒子的電荷失衡能夠引起凝聚體有效化學勢的漲落。我們預言在光學過程中,泵浦效應和驅(qū)動效應兩者都能夠誘導準粒子的電荷失衡,從而導致化學勢的漲落。進一步,我們發(fā)現(xiàn)即使在由雜質(zhì)引起的彈性散射下,這一化學勢的漲落也會直接提供電荷失衡的弛豫通道。這與以前文獻中的理解非常不同。以前研究認為在各向同性的s-波超導體中,彈性散射不能夠引起任何電荷失衡的弛豫。在強自旋軌道耦合極限下,作為下面研究動力學的基礎(chǔ),在第13章中,我們首先闡明在近鄰于s-波超導體的強自旋軌道耦合的(100)量子阱中,具有三態(tài)序參量的超導態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)。我們揭示考慮到在量子阱中由近鄰效應所提供的單態(tài)序參量,不僅三態(tài)庫伯配對能由自旋軌道耦合誘導出來,三態(tài)序參量也能由排斥的電子-電子庫侖相互作用誘導出來。具體地說,我們推導了有效的Bogoliubov-deGennes方程,其中由有效的電子-電子相互作用誘導的自能能夠貢獻單態(tài)和三態(tài)序參量。對于三態(tài)序參量,其為p-波(px± ipy-型)對稱性,并且其d-矢量平行于由自旋軌道耦合貢獻的有效磁場。我們在InSb(100)量子阱中的數(shù)值計算表明,在適當?shù)碾娮訚舛认?單態(tài)和三態(tài)序參量的模值甚至可以互相比擬,從而它們可以在實驗上進行區(qū)分。最后,我們介紹這里所預言的(s+p)-波超導態(tài)量子阱可以作為實現(xiàn)helical拓撲超導體的平臺。基于上述對(s+p)-波超導態(tài)InSb量子阱的平衡態(tài)的理解,在第14章中,我們進一步運用規(guī)范不變的光學Bloch方程研究其中準粒子和凝聚體對THz光場的響應。三態(tài)和單態(tài)超導電性的動力學都被研究。具體地說,對于三態(tài)超導電性,我們預言當光場中的矢勢平行于量子阱時,光場能夠誘導出庫伯對的自旋極化,其按照光場的頻率振蕩。我們發(fā)現(xiàn)庫伯對總自旋極化的方向平行于矢勢。對于單態(tài)超導電性,我們闡明由于InSb(100)量子阱中具有大的自旋軌道耦合,體系存在內(nèi)外兩個費米面。在這一特定的構(gòu)型中,超導動量可以調(diào)節(jié)得比內(nèi)費米面的費米動量大而比外費米面的小。我們發(fā)現(xiàn)在這個區(qū)域,Higgs模和電荷失衡的動力學相比通常s-波的情形要呈現(xiàn)不同的特點。最后,我們在第15章中對本論文的內(nèi)容做了總結(jié)。
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O469
【圖文】：

但這一階段中設(shè)計的自旋電子學器件離應用還有較大距離。這里面，Ｄａｔｔａ－Ｄａｓ晶逡逑體管［１０］被認為是第二階段的開端。我們下面著重介紹一下基本原理。Ｄａｔｔａ－Ｄａｓ晶體逡逑管的原始模型如圖１－１所示，為一維體系：左端和右端分別為磁性材料做成的源電極和逡逑漏電極，分別實現(xiàn)自旋極化的注入和探測；中間部分為導體通道，其中通過口電壓（破逡逑壞體系界面反演對稱性）引入并調(diào)控Ｒａｓ此ａ自旋軌道岕合［１４］。自旋極化的電子從源電逡逑極進入到導體通道，在由自旋軌道y咸峁┑撓行Т懦∽饔孟倫孕５鋇玨義獻擁醬锫┑緙κ�，若自旋极化与漏稻~啪仄叫校ǚ雌叫校�，稻湻导oǎú壞紀ǎ�，辶x洗聳鋇淖刺ü兀？杉ü骺氐繼逋ǖ樂械淖孕斕缹艉峽桑卓刂頻緶返膩義峽刈刺�。Ｄａｔｔａ－Ｄａｓ晶舔q苣Ｐ途」蓯鐘形Γ譴郵笛檣鮮迪制渲猩柘肴床㈠義喜蝗菀�。蕦上，Ｄａｔｔａ－Ｄａｓ晶舔q萇婕暗階孕⑷�、自旋扩散０１及自旋匙暐等衷溵\叔義咸猓杓浦幸裁揮鋅悸強贍苡械納⑸潿運撓跋�。２００９妮彫ＫｅP锏熱嗽謔笛椋郟保擔葜斜ǖ厘義峽騁丫諍紓粒罅孔猶髦惺迪摯詰緄昕傻骺氐模模幔簦簦幔模幔缶騫堋Ｓ捎詬檬笛槭竊詼邋義舷迪巒瓿傻

本文編號：2734379