自旋轨道耦合系统中的自旋相关输运

摘要

近年来自旋电子学受到了人们极大的关注，它是研究如何利用电子自旋自由度来开发电子器件的一门新兴学科，这种自旋相关的电子器件被认为是新一代的电子器件。当前的自旋电子学面临着一些挑战：包括自旋的产生，调控和检测。本文基于非平衡态格林函数理论，主要研究在自旋轨道耦合系统中怎样实现自旋流的产生、调控以及检测。
　　 我们首先研究了怎样利用自旋轨道耦合作用来实现自旋流的产生，并且自旋流流经的是一个非磁非自旋轨道耦合的区域或电极，这样自旋相干性不会被破坏，自旋驰豫时间长，适合对自旋进行相关操作。具体的研究先是在一个二维电子气－量子点－二维电子气的两终端电路中进行的，其中Rashba或Dresselhaus自旋轨道耦合作用仅存在于二维电子气电极中，而量子点中没有任何磁极化和自旋轨道耦合。我们发现当来自自旋轨道耦合的赝磁场不共线时，系统中有平衡自旋流流过量子点，并且它的极化方向是垂直于二维电子气平面的；在弱耦合情形下，它的大小正比于两边赝磁场间夹角θ的正弦值；而在强耦合时，自旋流则表现出明显的非正弦行为。随后，我们还研究了一个中间散射区存在含时振荡的自旋轨道耦合作用两端为普通的非磁非自旋轨道耦合电极的两终端电路系统，我们发现无论系统是二维的还是一维的，只要中间散射区的自旋轨道耦合作用中同时含有静态与动态部分，系统中就会有隧穿自旋流存在且不伴随任何隧穿电流；而且，产生的隧穿自旋流不论其大小还是自旋极化方向都可以通过电学方法改变系统参数来加以调控。
　　 其次，我们研究了在Rashba量子环系统中怎样实现自旋流的操作从而产生任意自旋极化度的电流。该系统的主体为一个存在Rashba自旋轨道耦合作用且在某支环臂上含有一量子点的量子环，其中量子点上被施加了用来产生自旋流的旋转磁场。利用非平衡态格林函数方法，我们推导出了普通电极和各支环臂中的电流、自旋流的表达式，并在此基础上进行了数值计算，我们发现在旋转磁场的作用下，电极以及不含量子点的环臂中会出现自旋极化电流而含有量子点的环臂中则只会出现纯自旋流。更重要的发现是，只需调节一些系统参数便可以任意地控制电极以及环臂中自旋极化电流的大小和自旋极化度，从而在所研究的系统中实现对电子自旋的任意调控，这有助于实现新型的基于自旋的电子器件。
　　 最后，我们研究了怎样用电学的方法实现对纯自旋流的检测。我们首先提出了一种利用电子自旋共振来探测前面所研究的平衡自旋流的方案，其中自旋共振发生于自旋流流经的中间散射区。研究表明，在系统中原本就存在平衡自旋流的情况下，旋转磁场引起的自旋共振会破坏系统的动力学时间反演对称性从而导致非零电流的出现。于是，通过对产生的电流的检测我们便可以实现对平衡自旋流的间接探测。同时我们也研究了利用Rashba环中的量子干涉效应来探测自旋偏压的可行性。通过非平衡态格林函数方法，我们计算了外加自旋偏压时两终端Rashba环系统中的隧穿电流。结果显示，Rashba环中的量子干涉效应会对自旋偏压驱动的纯自旋流发生作用，使得原本大小相等方向相反的自旋向上和向下的电流分离开来，从而产生非零的隧穿电流，这个隧穿电流不但可以被用来推断自旋偏压的大小还可以被用来判断自旋偏压的自旋极化方向。