自旋霍爾效應研究新進展

2020-11-23 科學網

 

自旋電子學是近年來飛速發展的前沿學科領域之一。自旋軌道耦合是影響常見的半導體材料自旋調控和弛豫的重要物理機理， 因此是半導體自旋電子學器件應用必須考慮的關鍵因素。近年來，國際上關於半導體中自旋軌道耦合引致的各種新奇的物理現象進行了研究並取得了許多重要的進展，如本徵自旋Hall效應等。這些研究為在半導體中產生自旋流提供了新的途徑，並為未來的全電操縱的自旋電子學器件提供了物理基礎。但是，這些工作大多分別獨立地研究導帶電子或價帶空穴，相互之間不存在耦合。自旋軌道耦合恰恰是來自這種導帶－價帶的耦合。如果微擾地計入導帶－價帶耦合就可以得到目前國際上廣泛使用的Rashba自旋軌道耦合的哈密頓。

 

中國科學院半導體研究所的常凱研究員，博士生楊文基於多帶的有效質量理論，研究了窄禁帶半導體量子阱中的自旋軌道耦合，發現自旋劈裂隨電子波矢的增加而呈現強烈的非線性關係。他們建立的新模型能夠很好地描述非線性行為，並給出了非線性起源的物理圖像。最近，他們同美國史丹福大學張守晟教授合作，研究了窄禁帶半導體量子阱中的自旋Hall效應。他們基於多帶有效質量理論，採用Green函數方法，考慮到雜質散射的頂角修正，建立了關於n型和p型半導體中自旋霍爾效應的統一的理論框架。該理論可以很好地處理強導帶－價帶耦合情形，即窄禁帶半導體量子阱情形。他們發現利用外加電場和量子阱寬度可以在窄禁帶半導體量子阱中引致量子相變，從而實現本徵自旋Hall效應的開關。這種開關效應可能會被用來驗證本徵自旋霍爾效應的存在。

 

該系列的最新研究工作以「Intrinsic Spin Hall Effect Induced by Quantum Phase Transitions in HgCdTe Quantum Wells」為題發表在《物理評論快報》（PRL）上。這些工作引起了德國Wurzburg大學實驗小組的強烈興趣，相關實驗工作正在進行中。

 

以上工作得到了國家基金委傑出青年基金和科學院知識創新工程項目的支持。(來源：中國科學院半導體研究所)

 

（《物理評論快報》（PRL），100, 056602 (2008)，Wen Yang，Kai Chang）

 

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