半导体材料中自旋极化的光学注入与探测

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1、综合评述

2、光电子学REVIEW半导体材料中自旋极化的光学注入与探测OpticalInjectionandDetectionofSpinPolarizationinSemi-conductors刘猛冯晓波李焱龚旗煌!北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室!北京"#$%&"’()*+,-./,-.0)1232()41-52-.6)7*1-.!!"#"$%$&’()*+#"*+&,*+-+".,./.#01./+*2"+3/"3+$#451$2*2/*6./78&2./2!9/8**0*,78&2./2!7$:.4;<4.=$+2."&!">$.?

3、.4;"$$%&"!@8.4(摘要综述了自旋电子学的一些新进展!重点介绍了自旋极化的光学注入%弛豫机制和光学探测等方面的内容!并涉及到与自旋有关的自旋霍尔效应8DEFG和纯自旋流等物理效应$关键词光电子学&自旋电子学&自旋极化&半导体&自旋霍尔效应&纯自旋流&(’)*%+)!"#$"%"&’()"*+,’-,(.*+/’*.0,!.*0&12.*3’(+.04&.*5"0+.’*!/"&464+.’*4*22"+"0+.’*’-,(.*(’&4/.74+.’*4/"8/."-&9/"%."#"2:;"&4+"2,185"0+,,10<4,,(.*=>&&

4、"--"0+?@=AB4*2(1/",(.*01//"*+4/"4&,’.*+/’210"2:,-./0*1’’(+’"&"0+/’*.0,&,(.*+/’*.0,&,(.*(’&4/.74+.’*&,").0’*210+’/,&,(.*=4&&"--"0+&(1/",(.*01//"*+中图分类号HI?J!引言旋的电子学器件所必需的一个条件!而亚皮秒的自旋近年来在电子学和微电子学领域!半导体载流子弛豫则可应用于光开关器件中&自旋的相干输运包括的自旋这一自由度倍受关注!自旋霍尔效应"自旋光在同一材料内的输运和不同材料界面上的输运!可运用外加电磁场=">或

5、表面声波=?>来实现&自旋的探测方电流等一系列理论预言得到了实验验证!并加深了人法主要有电学=@>和光学两类$们对半导体材料性质的认识#基于自旋的电子学器件也由于非易失性8-2-92:1;):);<’"数据处理速度"集成本文将主要介绍自旋电子学与光学交叉领域的密度和功耗方面的优势成为未来电子学器件的一个一些进展$介绍应用光学方法注入自旋的原理和自旋发展趋势$自旋电子学的基础研究涉及到自旋的注的弛豫机制!与自旋有关的物理效应和自旋极化的光入%弛豫"相干传输和探测$学探测$自旋注入可以通过载流子输运"光学注入和磁共"光注入自旋及其弛豫振等实现&当抽运结束!非

6、平衡的自旋极化会在一定的时间尺度内弛豫到平衡时的布居!根据外部环境"#!圆偏振光在$%&’材料中注入自旋=C>是自旋电子学研究的一类重要材料!包括!如温度’和材料本身性质!如掺杂浓度’的不同!存在51AB着不同的自旋弛豫机制$长的自旋弛豫时间是基于自体材料和低维物理结构!如量子阱%量子线%量子点May2008VOL.45NO.5激光与光电子学进展!"#$%&’()*$+$,)%*-.,#/%*0%$##等!这里以量子阱结构为例!!"#$是具有闪锌矿结构123光注入自旋的弛豫机制的直接禁带半导体材料"在不考虑中心反演对称性破室温条件下"光注入自旋的主要弛豫

7、机制AKC包括坏引起的能带分裂时"!"#$的导带%&’()*+,-’(L44-’,,6M"?1,7LM;机制和N"3"O’(’26P1Q14"7NP/机."()"&./为自旋二重简并的"价带包括三个自旋二制!重简并的子带#重空穴带%01"230’41$*565"()"自旋轨道耦合作用会导致电子波函数的空间部00/$轻空穴带78-9:,0’41$*565"()"80;和自旋轨分和自旋部分相混合"在发生动量散射&&例如声学道分裂带%<=4-,6>??$*565"()"<>;!其能带结构的声子$光学声子和杂质散射时"电子自旋的弛豫机制示意图见图@7";ABC为

8、LM机制!!其中"导带电子不具有轨道角动量"因此自旋角动量就是电子的总角动量"本征值为!DE"在无中心反演对称性的材料中"导带中波矢不为"分量为!!DE%价带电子具有本征值为!的轨道角动I的电子态"不同自旋取向的波函数之间的能量简并量"电子自旋角动量和轨道角动量耦合"产生总角动解除"导致导带的自旋劈裂!这种自旋劈裂等效于大量为F!DE和!DE的量子态!其中"总角动量为F!DE的小$方向依赖波矢!变化的有效磁场!7!/"电子会围量子态位于价带顶"在晶体场中劈裂为重空穴态7"分绕!7!/进动"进动的频率即拉摩频率7W/!当WR@Dt#"量为!F!DE/和轻空

9、穴态7"分量为!!DE/"总角动量为!DEt$为动量弛豫时间"则两次动量弛豫之间