半导体中的自旋极化输运和自旋弛豫

摘要

我们理论研究了稀磁半导体二维电子气在均匀、周期调制弱磁场下的自旋极化输运，发现体系的载流子自旋极化度几乎为零，但电流的自旋极化度却可能很强：均匀磁场下，我们的理论计算很好地解释了实验结果，并发现电流的自旋极化度随磁场增加而振荡，通过改变磁场、电子浓度和磁离子组分，可以调节电流极化度的大小和正负。在一维周期调制磁场下，我们发现通过对能带的剪裁，让费米速度产生自旋极化，可以产生沿调制方向的强自旋极化电流，而垂直于调制方向的电流的自旋极化度却几乎为零。呈明显的各向异性。由此我们提出了一种与目前潮流不同的产生自旋极化电流的方案。我们研究了非磁性二维电子气中Rashba自旋轨道耦合(RSOI)、Dresselhaus自旋轨道耦合(DSOI)、Zeeman裂裂对低温磁输运的影响，理论结果与实验测量一致。只存在RSOI或DSOI时，二维电子气磁阻率振荡图案上拍频的节点位置敏感地依赖于由上述三种机制决定的电子的总自旋劈裂。我们发现只存在RSOI时的电子波函数可以由只存在DSOI(但Zeeman劈裂相反)时的电子波函数做时间反演得到。相应地，这两种情况下磁阻率的振荡图案完全相同。只存在大强度的RSOI或DSOI时.磁阻率的振荡显示出两个周期。当等强度RSOI和DSOI并存且没有Zeeman劈裂时，磁阻率的拍频振荡完全消失，随Zeeman劈裂或RSOI、DSOI强度差的增大，拍频图案重新出现。我们研究了8带k·p微扰理论中的虚假解问题，找到了它出现的原因和消除的方法。基于8带k·p微扰理论，我们修正了目前国际上广泛采用的线性、各向同性Rashba模型，给出了清晰的物理解释和Rashba劈裂的解析表达式。我们还从数值上研究了Rashba劈裂的参数(带隙、价带/导带带阶、平均电场、阱宽、不同子带)的依赖，我们的解析表达式可以定性解释所有这些依赖关系。我们发现非单调的Rashba自旋劈裂将导致DP自旋弛豫率随费米波矢(电子浓度)的上升而呈现非单调的先上升后下降的特征，与线性Rashba模型的结果(单调上升)显著不同。