《自旋电子学中科院》PPT课件

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1、自旋轨道耦合和拓扑绝缘体孙庆丰中国科学院物理研究所2010年6月15日一、自旋电子学和自旋流介绍二、自旋轨道耦合介绍三、近几年来我们几个工作介绍四、量子自旋Hall效应和拓扑绝缘体五、总结自旋轨道耦合和拓扑绝缘体一、自旋电子学和自旋流介绍1.电荷流,即电流E电子的定向漂移运动，产生电流。在传统的电路或半导体电子器件中，自旋向上的电子和自旋向下的电子向同一方向运动，以至于自旋和自旋流被抵消，仅仅电荷流（即电流）存在。电荷流:自旋流:这时，仅仅电流存在E电子具有电荷和自旋自由度事实上，尽管对于电子的应用已有一

2、百多年的历史，但在传统的电路和电子器件中，它们仅仅利用了电子的电荷流（电流），而电子的自旋流和自旋自由度很少加以利用。近十年来，随着微加工技术和大规模集成电路的发展，电子器件的尺寸越做越小，即将进入量子阶段。在这超小（纳米）尺度范围内，自旋在很多性能方面比电荷优越，例如：退相干时间长，能耗低，数据处理速度快，集成度高，稳定性强等。能否利用电子的自旋自由度制造电子器件？自旋电子学（spintronics)自旋电子学（spintronics)应用自旋自由度来制造电子器件或应用自旋和电荷自由度一起来制造电子器件

3、2、纯自旋流（零电荷流）电荷流:自旋流:设想在一个导体中，如果能使自旋向上的电子向一个方向运动，而相同数目自旋向下的电子向相反方向运动，这样电(荷)流正好被抵消，而自旋流将被加倍。有什么办法使电子象上图所示那样运动？即怎样产生自旋流？3、自旋极化流电荷流:自旋流:电荷流和自旋流都存在近二十年来，自旋极化流已被广泛研究，并已有巨大的商业应用例如：GMR和TMR综述文章：1.G.A.Prinz,science282,1660(1998);2.S.A.Wolf,et.al.science294,1488(200

4、1).4、自旋电子学的一些已有应用GMR的读磁头二、自旋轨道耦合介绍自旋电子学涉及的问题：自旋流的产生、探测、和调控等；自旋的控制、操纵等；自旋轨道耦合对这些的实现有很大的帮助！一、自旋电子学和自旋流介绍二、自旋轨道耦合介绍1、自旋轨道耦合介绍2、自旋轨道耦合的一些普遍性质3、与自旋轨道耦合有关的一些效应：三、近几年来我们几个工作介绍四、量子自旋Hall效应和拓扑绝缘体五、总结自旋轨道耦合和拓扑绝缘体电磁场对电荷、自旋的作用F=eEEBeEBevF=eE+ev×BB对静止电荷无相互作用B对运动电荷有力的作

5、用1、自旋轨道耦合介绍EBmEBvm磁场对磁矩有力矩的作用电场对静止磁矩无相互作用电场对运动磁矩也有力矩作用*电场对电荷有力的作用*磁场对磁矩(自旋)有力矩的作用*磁场对运动电荷有力的作用*电场对运动磁矩(自旋)有力矩的作用经典体系：电场对运动自旋的作用。Eii.量子体系：自旋轨道耦合注意：自旋轨道耦合作用～(v/c)^2，所以只有在很强的电场下，这一项才起作用。(i)、如果V(r)是中心力场势，上式化为：Thomas项的自旋－轨道耦合：从Dirac方程的非相对论极限，也可以得到自旋轨道耦合项Rashba

6、自旋轨道耦合:Z(ii)、在二维体系，V(r)=V(z)+V(x,y)通常远大于ZV(z)如果V(z)不是镜面对称，这有：2、自旋轨道耦合的一些普遍性质H=H0＋含有自旋轨道耦合的哈密顿是时间反演不变：*T是时间反演算符，K是取复共轭算符例如：容易证明：*如果是H的能量本征态，这也是本征态，并且和正交。如果令：Kramers简并：*证明：量子力学，曾谨言，科学出版社(1993)．*在平衡态时，任何类型的自旋轨道耦合绝不会引起自旋极化.*注意：在平衡态时，相同本征能的本征态的占据几率相同证明：自旋轨道耦合和

7、磁场的区别：磁场破坏时间反演不变性，解除体系的简并，在平衡态时，通常引起自旋极化.注意：这和自旋轨道耦合有本质的不同！！！自旋轨道耦合保持时间反演不变性，体系有Kramers二重简并，在平衡态时，自旋处处不极化.*IeIsSpinHalleffect:SpinHalleffect:自旋－轨道耦合IeIe垂直方向加磁场＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－3、与自旋轨道耦合有关的一些效应：S.Murakami,et.al.Science301,1348(2003);S.Murakami,et.al.Phys.Rev.

8、B69,235206(2004);J.Sinovaet.al.Phys.Rev.Lett.92,126603(2004);S.-Q.Shen,et.al.Phys.Rev.Lett.92,256603(2004);etc.关于SpinHalleffect的一些参考文献：ii、利用自旋轨道耦合用电场(或电压)来控制自旋ZV(z)Z用栅电压可以调节的值，从而控制自旋。iii、自旋进动。S.DattaandB.Das,Appl.Ph