本文選題：自旋霍爾效應(yīng) + 立方Rashba自旋軌道耦合　； 參考：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：自旋霍爾效應(yīng)是指縱向電流誘導(dǎo)產(chǎn)生橫向自旋輸運(yùn)的一種現(xiàn)象。作為自旋電子學(xué)領(lǐng)域的重要概念和方法,自旋霍爾效應(yīng)提供了利用純電學(xué)手段來操控自旋自由度的可能。根據(jù)自旋軌道耦合來源的不同,自旋霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制分為內(nèi)稟性和外稟性兩種,其中外稟性機(jī)制中又包含側(cè)躍(side jump)和偏散射(skew scattering)兩種效應(yīng)。自2003年以來,關(guān)于半導(dǎo)體材料中自旋霍爾效應(yīng)的微觀動(dòng)力學(xué)研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展,各機(jī)制單獨(dú)作用下自旋霍爾效應(yīng)的規(guī)律基本為人們所掌握,計(jì)算得到的自旋霍爾電導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)定量符合。另一方面,內(nèi)稟性與外稟性機(jī)制之間的關(guān)系與相互作用仍然有待厘清。在簡(jiǎn)單梳理各單一機(jī)制貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,我們從量子劉維方程出發(fā),得到弱散射情形下密度矩陣滿足的動(dòng)力學(xué)方程,方程中的哈密頓量將同時(shí)包含能帶自旋軌道耦合和雜質(zhì)自旋軌道耦合。經(jīng)過計(jì)算,我們發(fā)現(xiàn)常規(guī)定義下的側(cè)躍項(xiàng)和偏散射項(xiàng)對(duì)自旋霍爾效應(yīng)貢獻(xiàn)為零,系統(tǒng)另外出現(xiàn)與反常位置算符r_(SO)相關(guān)的兩種反常自旋進(jìn)動(dòng)項(xiàng),對(duì)于二維半導(dǎo)體電子體系,由電子反常進(jìn)動(dòng)項(xiàng)導(dǎo)致的自旋霍爾電導(dǎo)σ_(Eλ)~(SH)大小為純側(cè)躍霍爾電導(dǎo)的一半,而符號(hào)卻與之相反。進(jìn)一步地,我們將電子能帶自旋軌道耦合由線性k項(xiàng)推廣至立方Rashba項(xiàng),對(duì)于前者,雜質(zhì)反常自旋進(jìn)動(dòng)貢獻(xiàn)σ_(Uλ)~(SH) =-σ_(Eλ)~(SH)的自旋霍爾電導(dǎo),總自旋霍爾電導(dǎo)因此消失:對(duì)于后者,雜質(zhì)反常自旋進(jìn)動(dòng)的貢獻(xiàn)為σ_(Uλ)~(SH)=-σ_(Eλ)~(SH)/2,總自旋霍爾電導(dǎo)取有限值。反常自旋進(jìn)動(dòng)對(duì)空穴系統(tǒng)的貢獻(xiàn)為零。反常自旋進(jìn)動(dòng)的出現(xiàn),本質(zhì)上可視為電場(chǎng)和雜質(zhì)相關(guān)的自旋軌道耦合對(duì)能帶自旋軌道耦合的重整化效應(yīng)。最后,我們認(rèn)為有希望在二維銻化銦量子阱體系中觀察到反常自旋進(jìn)動(dòng)霍爾效應(yīng)。相比傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料,石墨烯具有單原子層厚的本征二維屬性和低能線性色散關(guān)系,堪稱孕育新奇量子物態(tài)的溫床�；谑┑�(量子)自旋霍爾效應(yīng),(量子)谷霍爾效應(yīng)和(量子)反�；魻栃�(yīng)等理論方案相繼被提出。石墨烯動(dòng)量空間中的兩能谷相距較遠(yuǎn),谷間散射較弱,低能下谷指標(biāo)作為贗自旋自由度,可以用于電子學(xué)信息處理。在空間反演對(duì)稱破缺的情況下,石墨烯中將出現(xiàn)谷霍爾效應(yīng)現(xiàn)象,與自旋霍爾效應(yīng)類似,這時(shí)縱向電場(chǎng)將導(dǎo)致不同能谷處的電子偏向樣品相反邊界,產(chǎn)生谷指標(biāo)的橫向傳遞。雙層石墨烯的空間反演對(duì)稱性能夠被外加層間電勢(shì)差所破壞,在此基礎(chǔ)上,當(dāng)層間電勢(shì)差在空間某處發(fā)生翻轉(zhuǎn),翻轉(zhuǎn)處會(huì)出現(xiàn)局域的一維零線模態(tài)。零線模態(tài)與翻轉(zhuǎn)勢(shì)兩側(cè)區(qū)域的能帶拓?fù)湫再|(zhì)有關(guān)并受到拓?fù)浔Ｗo(hù)。零線模態(tài)攜帶確定的谷指標(biāo),其傳輸方向呈現(xiàn)手征性,可以被用來設(shè)計(jì)和操控電流通道。雙層石墨烯層間電勢(shì)差的最直接實(shí)現(xiàn)方案是利用外電極加壓,由于零線模態(tài)所允許的翻轉(zhuǎn)勢(shì)的最大跨度在100mm以內(nèi)。不同極板之間的準(zhǔn)直會(huì)對(duì)一維零線模態(tài)的實(shí)驗(yàn)觀察產(chǎn)生顯著的影響。我們考慮了外電極的各種可能空間幾何位錯(cuò),并利用緊束縛模型方法模擬了各種位錯(cuò)對(duì)零線模態(tài)能帶的影響。我們發(fā)現(xiàn)上下極板之間的相對(duì)位移對(duì)零線模態(tài)能帶的扭曲為最大,而零線模態(tài)傳輸方向?qū)κ┚Ц裰芷陬愋偷囊蕾嚥⒉幻舾��？紤]到實(shí)際樣品中廣泛存在各種拓?fù)淙毕?我們利用Landauer-Buttiker公式計(jì)算了拓?fù)淙毕輰?duì)零線模態(tài)輸運(yùn)性質(zhì)的影響,結(jié)果證明零線模態(tài)具有較強(qiáng)的魯棒性。我們希望該項(xiàng)研究能夠?qū)?shí)驗(yàn)提供一定指導(dǎo)意義。
[Abstract]:The spin Holzer effect is a phenomenon of transverse spin transport induced by longitudinal current. As an important concept and method in the field of spintronics, the spin Holzer effect provides the possibility of manipulating spin freedom by means of pure electrical means. The mechanism of the spin Holzer effect is divided into a mechanism based on the difference of the source of spin orbit coupling. There are two kinds of natural and natural nature, of which there are two effects in the intrinsic mechanism, which are side jump (side jump) and partial scattering (skew scattering). Since 2003, a great progress has been made in the study of the micro dynamics of the spin Holzer effect in semiconductor materials. The rules of the spin Holzer effect under the individual mechanisms of each mechanism are basically the people. On the other hand, the relationship and interaction between the intrinsic and the intrinsic mechanism remains to be clarified. On the basis of the simple combing of the contribution of each single mechanism, we start from the quantum Liu Wei equation to obtain the kinetic equation that the density matrix satisfies in the case of weak scattering. The Hamiltonian in the equation will include both the spin orbit coupling and the impurity spin orbit coupling. After calculation, we find that the side jump and partial scattering term under the conventional definition contribute zero to the spin Holzer effect, and the system also has two anomalous spin precession related to the anomalous position operator r_ (SO), for two-dimensional semiconductor electricity. The spin Holzer conductance (E lambda) ~ (SH) is the half of the pure side jump Holzer conductance caused by the electronic anomalous precession term, and the symbol is the opposite. Further, we extend the spin orbit coupling from the linear K term to the cubic Rashba term. For the former, the impurity anomalous spin precession contributes sigma (SH) = - Sigma (E lambda) ~ (S) ~ (S) H's spin Holzer conductance, the total spin Holzer conductance is disappearing: for the latter, the contribution of the impurity anomalous spin precession is the sigma (U lambda) ~ (SH) = ~ (E lambda) ~ (SH) /2, the total spin Holzer conductance limited. The anomalous spin precession has a zero contribution to the cavitation system. The appearance of the anomalous spin precession is essentially regarded as the electric field and the spin related spin. The renormalization effect of the orbital coupling on the coupled spin orbit coupling. Finally, we believe that there is a hope to observe the anomalous spin precession Holzer effect in the two-dimensional indium quantum well system. Compared with the traditional semiconductor materials, the graphene has the intrinsic two-dimensional properties of the single atomic layer and the low energy linear dispersion relation, which can be known as a novel quantum state. The theoretical schemes based on the (quantum) spin Holzer effect of graphene, the (quantum) Valley Holzer effect and the (quantum) anomalous Holzer effect have been proposed. The two energy valleys in the momentum space of the graphene are far apart, the inter Valley scattering is weak, and the low energy valley index as a pseudo self rotation freedom can be used in the electronic information processing. The spatial inversion can be used in space inversion. In the case of symmetry breaking, the phenomenon of the valley Holzer effect will appear in graphene, similar to the spin Holzer effect, when the longitudinal electric field will lead to the electrons in different valleys at the opposite boundary and produce the transverse transfer of the valley index. The spatial inversion of the double graphene is destroyed by the interlayer potential difference. When the interlayer potential difference occurs somewhere in the space, there will be a local one-dimensional zero line mode. The zero line mode is related to the topological properties of the energy band on both sides of the flipping potential and is protected by the topology. The zero line mode carries the definite Valley index, and its transmission direction is chiral, which can be used to design and manipulate the double layer stone. The most direct way to realize the potential difference between the laminar layer is to use the external electrode pressure, because the maximum span allowed by the zero line mode is within 100mm. The collimation between the different plates will have a significant effect on the experimental observation of the one-dimensional zero line mode. We find that the relative displacement between the upper and lower plates has the greatest distortion of the zero line modal energy band, and the zero line modal transmission direction is not sensitive to the dependence of the periodic type of the graphene lattice. Considering the wide variety of topological defects in the actual sample, we benefit. The effects of topological defects on the transport properties of zero line modal transport are calculated by the Landauer-Buttiker formula. The results show that the zero line mode has strong robustness. We hope that the study can provide some guidance for the experiment.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O469

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本文編號(hào)：2063938