具有自旋轨道耦合的低维系统中自旋输运的分析

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1、具有自旋轨道耦合的低维系统中自旋输运的研究⑧论文作者签名：指导教师签名：答辩委员会主席：委员1：委员2：委员3：委员4：委员5：答辩日期：2009年5月23日Spintransportinlow·dimenionalsystemswithspin-orbitcouplingAuthor’Ssignature：Supervisor’Ssignature：ExaminingCommitteChairman：ExaminingCommitteMembers：XuZhuan：InstituteofCondens

2、edMatterPhysicsofZhejiangUniversityChenQinghu．ZhejiangNormalUniversity●_—_—_—_-__——-_-—___-—__—-——_-——_--—_-—_-—_—-—————’—，——_-————_——_’-●—’_————————一一．．竺塾呈旦壁垫!塾鱼!垒翌墨!望墅唑堕坚旦堡呈坚!堑堂!ZhaoXuean，ZhejiangInstituteofModernPhysicsLiYouquan，ZhejiangInstituteofMod

3、ernPhy7sicsDateoforaldefence：May23，2009浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。一躲卸研撕期：衫年j哆P学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门

4、或机构送交，本论文的复印件和磁盘，·允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：导师签名：孝嗡岛黼飙叩吖胁日签字日期：．7伊衫年SYJ1z日

5、内容提要自旋电子学是在上世纪末迅速发展起来的一门交叉性学科，其主要内容是研究固态系统中自旋自由度的相干调控。它为开发具有高数据处理速率、低能耗以及高集成度等特点的新型电子器件提供了理论基础。自旋轨道相互

6、作用将自旋自由度与载流子的运动耦合起来。这为实现自旋的电操控提供了一种有效的途径。本论文的前两章简要回顾了自旋电子学的兴起与发展，并概述了自旋霍尔效应等基于自旋轨道耦合的自旋输运现象。第三章至第七章则详细地介绍了我们在自旋轨道耦合系统中自旋输运方面的研究成果。对自旋流的控制与利用一直是自旋电子学的研究热点。在具有自旋轨道耦合的系统中，普遍定义的自旋流并不守恒。在此定义下，系统甚至会出现非零的平衡态自旋流。如何理解这些现象以及如何定义一个守恒的自旋流成为自旋输运研究的基本问题。我们第一次从su(2)规范场

7、的角度对这些问题进行了讨论。自旋轨道耦合可以被看作是su(2)规范势。我们将二维电子气系统中的Rashba、Dresselhaus自旋轨道耦合以及剪应场与su(2)规范势联系起来。在这种意义上，su(2)规范势在凝聚态中得到了实现。这种做法的一个好处是系统的哈密顿量中只会出现规范势，而没有规范场。因此其数学形式十分简洁。我们发现，普遍定义的自旋流在su(2)规范场下满足协变形式的连续性方程。为了进一步理解该方程的物理意义，我们引入包含电荷和自旋自由度的四维内禀空间，并给出了四维流算符的形式。在此基础上，

8、我们利用Noether定理得到了守恒的总自旋流。除了普遍定义的自旋流，它还包含由SU(2)规范场提供的贡献。受此启发，我们提出：类似于电荷密度与电流密度激发u(1)电磁场，自旋密度和自旋流密度可以看作是su(2)规范场的场源。该规范场会对普遍定义的自旋流施加类似于扭矩作用的自旋力，从而导致了它的不守恒。因此，守恒的总自旋流应该包含msu(2)规范场给出的贡献。通过引入SU(2)场强张量，我们可以直接得到作用在自旋密度和自旋流密度上的自旋力。当只有u(1)电磁场时，该自旋力会简单地退化为Stern—Ger

9、lach力。当系统中只存在强度均匀的Rashba军flDresselhaus自旋轨道耦合时，我们得到的自旋力与文献[167】利用半经典方法得到的结果一致。此外，我ii具有自旋轨道耦合的低维系统中自旋输运的研究们还研究了u(1)×Su(2)规范场下的轨道流密度。我们指出，由于在一般情况下u(1)和Su(2)规范场的强度可以随空间变化，系统的总角动量并不守恒。因此，普遍定义下的自旋流密度和轨道流密度的不守恒部分并不能相互抵消。为了建立一个直观的