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Ch 4 自旋电子学

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 ). Spintronics 的含义 ？. 电子 ：电荷和自旋（电子自旋为 1/2 ） 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. （ 1 ）基本问题.

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Ch 4 自旋电子学

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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)

  2. Spintronics的含义？ 电子：电荷和自旋（电子自旋为1/2 ） 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

  3. （1）基本问题 1,自旋注入 “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）

  4. 基本问题 2,自旋传输 自旋电流从FM电极注入半导体， 会在界面和半导体内产生“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。

  5. 三种自旋注入实验

  6. 1，电注入―电检测 铁磁/半导体结 早期：效率太低， P. R. Hammar et al，PRL 83，203（1999） S. Gardelis, et al, PRB 60,7764 (1999)

  7. 今年最新结果自旋注入的一条新路？ 庞磁电阻＋碳纳米管 （CMR）＋CNT） Nature 445（Jan 2007）410－413 LSMO

  8. 自旋注入的一条新路？高效率！低温？ ？

  9. 2，电注入―光检测（之一） 实验：磁性半导体电注入 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

  10. 2，电注入―光检测（之二） 场致发光强度（左） 极化度 （右）

  11. 3，光产生―光检测（之一） 强激光Pump在半导体中， 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.

  12. 3，光产生―光检测（之二）

  13. （2）铁磁/半导体结注入方式的困难 电注入的问题在那里？ “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。”

  14. Schmidt的计算模型 （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！

  15. Schmidt的计算模型（2） 简化： 1维问题 （垂直界面方向） 任务： 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？

  16. Schmidt的计算模型（3） 自旋极化率定义 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。

  17. Schmidt的计算模型（4） 需要，计算“自旋相关的”电流密度。 自旋极化电流服从Ohm定律 其中，σ↑↓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（！）

  18. Schmidt的计算模型（5） 为此，先要计算“自旋相关的”化学势 。 化学势服从扩散方程

  19. Schmidt的计算模型（6） 求解扩散方程 对于铁磁材料区，化学势的形式解是： 这里，i＝1，3。X1＝ 0； X3＝ X0。 ＋（－）分别对应 1，3 。

  20. Schmidt的计算模型（7） 求解扩散方程（续） 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

  21. Schmidt的计算模型（8） 代入扩散方程和Ohm定律， 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

  22. Schmidt的计算模型（9） 得到了 和 的方程，如下 半导体区域的 电流自旋极化度

  23. Schmidt的计算模型（10） 计算结果 半导体区的电流密度“自旋极化率”

  24. Schmidt的计算模型（11）数值结果分析（材料因子分子小分母大）Schmidt的计算模型（11）数值结果分析（材料因子分子小分母大）

  25. 理解Schmidt “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

  26. （3）自旋Hall效应（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。

  27. 自旋注入的可能途径 • 自旋Hall效应诱导出的自旋流可以用作自旋注入。 • 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。

  28. 自旋－轨道耦合和电场的作用 以高迁移率二维电子系统（2DES）为例 • Rashba（1984）的Hamiltonian为 • 其中， 是Rashba耦合常数， • 是Pauli矩阵， 是电子有效质量， • 是垂直于2DES平面的单位矢量， 是动量。

  29. 有效磁场 • 另一种写法是 • 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

  30. 物理图像 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。

  31. 在x－方向加电场（看图b） 电子在－x 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。

  32. 自旋的运动的Bloch方程（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。）

  33. 自旋流 • 可以证明，动量空间漂移的结果是， 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）

  34. 实验证据 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。

  35. KR与样品位置、电场

  36. KR换算成自旋密度。在电流方向均匀。（样品长方向）KR换算成自旋密度。在电流方向均匀。（样品长方向）

  37. 结束

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