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1、Ch 4 自旋电子学,本讲(2学时)内容重点: (1)基本问题: 自旋的注入、输运和检测 (2)铁磁/半导体结注入方式的困难 (3)自旋Hall效应(新) (物理所,理论研究者),http:/ ) 自旋极化:自旋向上与向下电子数不等。 调控自旋极化的电流:注入、放大、 、检测。 回忆:半导体MOS中 电流的“源”、“漏”和控制“门电极” 下图:设想的一种自旋晶体管,http:/ “使传导电子自旋极化” 即产生非平衡的自旋电子(占有数) n n 方法之一,光学技术。光取向或光抽运。 方法之二,电学自旋注入。(便于器件的应用),http:/ 自旋电流从FM电极注入半导体, 会在界面和半导体内产生“
2、累积” 自旋弛豫机制 会使得自旋的非平衡转向平衡。 这个特征时间大约是几十纳秒,足够长! 3,自旋检测 自旋状态的改变。,http:/ 早期:效率太低, P. R. Hammar et al,PRL 83,203(1999) S. Gardelis, et al, PRB 60,7764 (1999),http:/ 自旋注入的一条新路?,庞磁电阻碳纳米管 (CMR)CNT) Nature 445(Jan 2007)410413 LSMO,http:/ 高效率!低温?,?,http:/ 和 偏振光检测 产生: P型(Ga,Mn)As 的自旋极化空穴 和N型GaAs的非极化电子 进入InGaAs量
3、子阱复合, 产生极化的场致发光。 (T=6K; H=1,000 Oe) 检测:偏振光检测,http:/ 极化度 (右),http:/ 产生了 Spin-polarized state, 此时的半导体等效于”磁体”. 可以用Farady-Kerr 效应做光检测Probe.,http:/ “从铁磁金属直接发射电子到半导体中”。 “这种自旋注入方式,面临一个基本障碍。 那就是这两种材料之间的电导失配。”,http:/ (1),结构: FM金属(1) / 半导体(2) / FM 金属(3) 第一界面, 为 X 0, 第二界面, 为 X X0 两流体模型!,http:/ 1维问题 (垂直界面方向) 任务
4、: 首先,计算各个区域的“化学势” 和“自旋极化电流” 其次,计算半导体区域电流的 “自旋注入的效率” 问题:电流、化学势、边条件、电导率失配?,http:/ 其中, 分别为 FM,SC,FM 对于注入区(铁磁金属)的自旋极化电流, 计算,接收区(半导体)自旋极化的电流 注意:电流密度 是材料、自旋和坐标的函数。,http:/ 。 自旋极化电流服从Ohm定律 其中,是两种自旋的电导率, *注意,电流密度与化学势的斜率成比例(!),http:/ 。 化学势服从扩散方程,http:/ 对于铁磁材料区,化学势的形式解是: 这里,i1,3。X1 0; X3 X0。 ()分别对应 1,3 。,http:
5、/ 对于半导体材料区,化学势的形式解是: 形式解的意义: 电流密度与位置(X 坐标)无关。 代入扩散方程,利用边界条件求解,http:/ 利用边界条件求解: 电流连续: 电荷守恒: 化学势相等 化学势相等,http:/ 和 的方程,如下 半导体区域的 电流自旋极化度,http:/ 半导体区的电流密度“自旋极化率”,http:/ 数值结果分析(材料因子分子小分母大),http:/ “障碍”,铁磁金属的电导是 半导体电导的1000倍! 铁磁金属中载流子浓度 约 半导体中少数载流子浓度仅仅 尽管,铁磁金属中迁移率远小于半导体 再一次表现出矛盾: 铁磁有序需要高浓度电子 电子输运需要低浓度电子,htt
6、p:/ (Science 301,1348(2003);PhysRevLett92,126603(2004)),理论分析指出: 很多半导体的载流子都具有自旋轨道耦合作用。 如果 在该半导体上施加纵向电场,将会产生横向自旋流。 (即自旋向上和向下的电子分别沿横向朝相反的方向流动)。 这就会在横向积累不同取向的自旋, 称为自旋霍尔效应。,http:/ 因为自旋流是从半导体中产生的, 所以不存在电导率不匹配的问题。 用这种方法得到的自旋输运可能是一种无耗散的过程。 需要经实验证实。,http:/ Rashba(1984)的Hamiltonian为 其中, 是Rashba耦合常数, 是Pauli矩阵,
7、 是电子有效质量, 是垂直于2DES平面的单位矢量, 是动量。,http:/ 其中, 相当于一个作用在自旋上的有效磁场。 比较普通Hall效应:电荷在磁场中受力,http:/ 自旋(红色)垂直于 动量(绿色), 在能量上有利。看图(a) 自旋取向彼此相反。,http:/ 反方向加速, 在动量空间产生漂移 动量漂移导致Rashba Hamiltonian的变化 这等价于在自旋上施加一个变化的有效力场。,http:/ (比较铁磁共振现象),其中, 是自旋的方向, 是进动时受到的阻尼力。 (注意:矢量和力矩的作用。),http:/ 在自旋上受到一个“顺时针”作用(力矩)。 于是, 一半自旋指向 方向; 另一半自旋指向 方向。 这就是自旋流。 (看图b),http:/ Kato等2004,GaAs 和InGaAs 薄膜。 激光束偏振面KR旋转角度, 取决于 (1)自旋极化程度 (2)自旋方向与偏振方向夹角。 移动入射激光束, 在样品的两个边缘处, 有KR存在;而且方向相反。,http:/ 位置、电场,http:/ 在电流方向均匀。 (样品长方向),http:/
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