【摘要】：自旋電子學(xué)的主要目的是有效地操控固體材料中的自旋(或贗自旋)自由度。對(duì)材料中自旋和電荷的動(dòng)力學(xué)及它們的相互影響的理解對(duì)自旋電子學(xué)的發(fā)展非常重要。針對(duì)這一問(wèn)題,本論文根據(jù)所關(guān)心的物理系統(tǒng)分為三個(gè)部分。在第一部分,我們研究半導(dǎo)體及超冷原子中的自旋動(dòng)力學(xué),其中包括自旋弛豫和自旋擴(kuò)散。在第二部分,我們研究單層和雙層過(guò)渡金屬硫?qū)倩镏杏杉ぷ右鸬墓葮O化的動(dòng)力學(xué),其中包括谷去極化動(dòng)力學(xué)和激子的谷霍爾效應(yīng)。最后在第三部分,我們集中研究s-波和(s+p)-波超導(dǎo)體中Bogoliubov準(zhǔn)粒子和凝聚體的自旋及電荷動(dòng)力學(xué)。第一部分,從第1章到第4章,我們集中研究超冷原子以及半導(dǎo)體中的自旋動(dòng)力學(xué)。在第1章,我們綜述了半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的背景及其在超冷原子自旋動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用。我們首先綜述了半導(dǎo)體中自旋的產(chǎn)生,自旋的檢測(cè),自旋的弛豫以及自旋的擴(kuò)散。其中,我們介紹了自旋霍爾效應(yīng),主要的自旋弛豫機(jī)制(其中包括D'yakonov-Perel',Elliott-Yafet和Bir-Aronov-Pikus機(jī)制)和文獻(xiàn)中對(duì)自旋擴(kuò)散的理解(其中包括漂移-擴(kuò)散模型和非均勻擴(kuò)展圖景)。然后我們簡(jiǎn)要地介紹了超冷原子物理的背景,以及最近實(shí)現(xiàn)的自旋軌道耦合的超冷原子及其實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。在第2章中,我們發(fā)現(xiàn)在超冷的自旋軌道耦合40K費(fèi)米氣中,當(dāng)塞曼能遠(yuǎn)比自旋軌道耦合能大時(shí),D'yakonov-Perel'自旋弛豫是反常的。我們考慮了自旋極化垂直和平行于有效塞曼場(chǎng)的橫向和縱向兩種構(gòu)型。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)自旋極化小時(shí),橫向自旋弛豫可分成四個(gè)而不是通常的兩個(gè)區(qū)域:正常弱散射區(qū),反常類DP區(qū),反常類EY區(qū)和正常強(qiáng)散射區(qū)。當(dāng)自旋極化大時(shí),我們揭示Hartree-Fock自能,作為有效磁場(chǎng),能夠極為有效地抑制弱散射區(qū)中的自旋弛豫。在InAs(110)量子阱中,當(dāng)處在Voigt構(gòu)型下的磁場(chǎng)遠(yuǎn)比自旋軌道耦合場(chǎng)大時(shí),我們進(jìn)一步揭示了Hartree-Fock自能對(duì)反常D'yakonov-Perel'自旋弛豫的影響。對(duì)于橫向構(gòu)型,我們發(fā)現(xiàn)自旋弛豫對(duì)Hartree-Fock有效磁場(chǎng)非常敏感。我們揭示即使非常小的自旋極化(P = 0.1%)也能夠顯著地影響自旋弛豫的行為。并且,當(dāng)體系具有中等自旋極化時(shí),我們發(fā)現(xiàn)Hartree-Fock場(chǎng)能夠促進(jìn)而不是抑制橫向自旋弛豫。這些特點(diǎn)與通常情形都很不相同。在上述構(gòu)型中我們理解了自旋弛豫的反常之處后,我們期待相同構(gòu)型中自旋擴(kuò)散也呈現(xiàn)反常的特點(diǎn)。在第3章中,我們研究了超冷的自旋軌道耦合40K費(fèi)米氣中穩(wěn)態(tài)的自旋擴(kuò)散。我們發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)自旋擴(kuò)散的行為由三個(gè)特征長(zhǎng)度決定:平均自由程,塞曼振蕩長(zhǎng)度和自旋軌道耦合振蕩長(zhǎng)度。我們解析上揭示并且數(shù)值上驗(yàn)證通過(guò)調(diào)節(jié)散射強(qiáng)度,系統(tǒng)可分為五個(gè)區(qū)域,其中穩(wěn)態(tài)自旋極化在空間演化的行為非常豐富,其對(duì)散射強(qiáng)度、塞曼場(chǎng)和自旋軌道耦合強(qiáng)度的依賴關(guān)系非常不同。不同區(qū)域中自旋擴(kuò)散的豐富行為很難用文獻(xiàn)中簡(jiǎn)單的漂移-擴(kuò)散模型和直接的非均勻擴(kuò)展圖景來(lái)進(jìn)行理解。然而,幾乎所有這些豐富的行為能夠用我們提出的修正的漂移-擴(kuò)散模型和/或修正的非均勻擴(kuò)展圖景來(lái)理解。特別地,我們揭示了自旋擴(kuò)散的幾個(gè)反常特點(diǎn),其與從簡(jiǎn)單的漂移-擴(kuò)散模型和直接的非均勻擴(kuò)展圖景所得到的十分不同。除了研究D'yakonov-Perel'自旋弛豫機(jī)制之外,我們也研究了本征鍺中的Elliott-Yafet自旋弛豫機(jī)制。在第4章中,我們研究了本征鍺中熱電子效應(yīng)對(duì)由電學(xué)方法注入的電子自旋弛豫的影響,并將其與當(dāng)時(shí)在自旋注入構(gòu)型下的輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)[Phys.Rev.Lett.111,257204(2013)]進(jìn)行了比較。我們的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好。我們揭示在低溫下,當(dāng)存在即使很弱的電場(chǎng)時(shí),Elliott-Yafet自旋弛豫能夠被顯著加快。這是因?yàn)殒N中電聲相互作用非常弱,從而電場(chǎng)能夠在體系中誘導(dǎo)出明顯的質(zhì)心漂移。這能夠解釋實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和前面理論計(jì)算[Phys.Rev.B 86,085202(2012)]之間的分歧:低溫時(shí),前面理論計(jì)算比實(shí)驗(yàn)結(jié)果要大約兩個(gè)量級(jí)。第二部分,從第5章到第8章,我們集中研究單層和雙層過(guò)渡金屬硫?qū)倩颩X2(M=Mo,W;X=S,Se)中由于電子-空穴交換相互作用引起的谷去極化動(dòng)力學(xué)及激子的谷霍爾效應(yīng)。在第5章中,我們綜述了在最近實(shí)現(xiàn)的單層和雙層MX2中谷動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)和理論進(jìn)展。在單層MX2中,我們分別介紹了與自由載流子、激子和荷電激子有關(guān)的谷動(dòng)力學(xué)。特別地,我們綜述了最近實(shí)現(xiàn)谷極化的產(chǎn)生及探測(cè)其弛豫的豐富的實(shí)驗(yàn)。在雙層MX2中,我們強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)出的激子動(dòng)力學(xué)的新特點(diǎn)。我們也介紹了過(guò)渡金屬硫?qū)倩锂愘|(zhì)結(jié)及其電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)。我們?cè)诘?章推導(dǎo)了單層MoS2中的電子-空穴交換相互作用,接著研究了由該交換相互作用引起的谷去極化動(dòng)力學(xué)。我們發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)程和短程交換相互作用兩者都能夠引起谷間和谷內(nèi)發(fā)光激子的轉(zhuǎn)變。但是由于價(jià)帶大的能量劈裂,谷內(nèi)發(fā)光激子轉(zhuǎn)變通道幾乎禁戒。從而,由于Maialle-Silva-Sham機(jī)制[Phys.Rev.B 47,15776(1993)],由交換相互作用提供的谷間通道能夠有效地引起谷去極化。當(dāng)僅考慮交換相互作用的長(zhǎng)程部分時(shí),我們的計(jì)算結(jié)果與最近的谷極化實(shí)驗(yàn),包括時(shí)間分辨的谷極化測(cè)量、泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)的光學(xué)熒光極化測(cè)量相吻合。進(jìn)一步,受最近Zhu等人的光學(xué)熒光實(shí)驗(yàn)[PNAS 111,11606(2014)]的啟發(fā),在第7章中,我們研究了雙層WS2中光激發(fā)譜和光學(xué)熒光去極化動(dòng)力學(xué)。我們提出了對(duì)光學(xué)熒光譜的一種不同理解�？紤]到雙層WS2中同時(shí)存在層內(nèi)激子和電荷轉(zhuǎn)移激子,我們發(fā)現(xiàn)由于空穴的層間躍遷,兩者的相互疊加可以構(gòu)成準(zhǔn)分子(excimer)態(tài)。相應(yīng)地,實(shí)驗(yàn)中觀察到的四種光學(xué)激發(fā)分別計(jì)算為A-電荷轉(zhuǎn)移激子,A'-excimer,B'-excimer和B-層內(nèi)激子。這些態(tài)與實(shí)驗(yàn)所推測(cè)的Γ-谷非直接激子,trion,A-激子和B-激子不同。我們接著推導(dǎo)了雙層WS2中電子-空穴交換相互作用,并且研究了其引起的光學(xué)熒光去極化動(dòng)力學(xué)。反常地,我們發(fā)現(xiàn)演化過(guò)程中總是存在一個(gè)為初始極化一半的剩余光學(xué)熒光極化,其持續(xù)無(wú)窮長(zhǎng)的時(shí)間并且對(duì)初始的能量展寬和動(dòng)量散射強(qiáng)度非常皮實(shí)。這一大的穩(wěn)態(tài)光學(xué)熒光極化意味著光學(xué)熒光弛豫時(shí)間非常長(zhǎng),從而可能是Zhu等人在雙層WS2中所觀察到的接近100%、反常大的光學(xué)熒光極化的原因。我們進(jìn)一步看到在單層和雙層MX2中,上述電子-空穴交換相互作用是非常強(qiáng)的,其能夠有效地改變激子的能譜。這樣,在第8章中,我們揭示了激子能譜的修正對(duì)單層和雙層MoS2中谷去極化動(dòng)力學(xué)的影響�？紤]了交換相互作用對(duì)激子能譜的修正,我們也能夠研究由交換相互作用引起的激子的谷霍爾效應(yīng)。對(duì)于谷去極化動(dòng)力學(xué),在單層MoS2中,我們發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)散射區(qū),通常強(qiáng)散射區(qū)中的運(yùn)動(dòng)致窄圖景不再正確,因?yàn)橐粋�(gè)新的谷去極化通道被打開。對(duì)于激子的谷霍爾效應(yīng),在單層和雙層MoS2中,考慮到施加的單軸應(yīng)變所引起的平衡態(tài)的漂移,我們發(fā)現(xiàn)交換相互作用能夠引起谷/光學(xué)熒光霍爾流。特別地,我們揭示了谷霍爾電導(dǎo)對(duì)無(wú)序勢(shì)強(qiáng)度的依賴。在強(qiáng)散射區(qū),隨著無(wú)序勢(shì)強(qiáng)度的增加,谷霍爾電導(dǎo)減少;而在弱散射區(qū),谷霍爾電導(dǎo)飽和為一個(gè)常數(shù)。由于不受泡利阻塞效應(yīng),這一常數(shù)值可以比費(fèi)米系統(tǒng)中的遠(yuǎn)大。第三部分,從第9章到第14章,我們分別在弱和強(qiáng)自旋軌道耦合極限下,研究了超導(dǎo)態(tài)半導(dǎo)體量子阱中準(zhǔn)粒子和凝聚體的自旋及電荷動(dòng)力學(xué)。在第9章中,我們介紹了超導(dǎo)金屬中的準(zhǔn)經(jīng)典動(dòng)力學(xué)方程,其中包括Gor'kov方程,Eilenberger方程,Usadel方程和Ginzburg-Landau方程。所有這些方程都可以用非平衡格林函數(shù)方法建立起來(lái)。然后,我們介紹了三態(tài)超導(dǎo)電性及其在不同材料系統(tǒng)中的可能實(shí)現(xiàn),其中包括3He超流體及非常規(guī)超導(dǎo)體Sr2RuO4,具有界面自旋軌道耦合的常規(guī)超導(dǎo)體,非中心反演對(duì)稱超導(dǎo)體,和常規(guī)超導(dǎo)體與鐵磁體界面。在第10章中,我們首先介紹常規(guī)超導(dǎo)體中電荷失衡和自旋失衡的概念,以及實(shí)驗(yàn)和理論所揭示的電荷失衡及自旋失衡的動(dòng)力學(xué),包括其產(chǎn)生與弛豫。然后我們綜述了理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)常規(guī)超導(dǎo)體中線性及非線性光學(xué)響應(yīng)的研究,其中重點(diǎn)介紹超導(dǎo)體對(duì)THz光場(chǎng)的響應(yīng),其光子能量在超導(dǎo)能隙附近。在非線性光學(xué)響應(yīng)中,我們介紹了超導(dǎo)體中Nambu-Goldstone模,Higgs模以及Leggett模的概念及其在光學(xué)激發(fā)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)。在第11章中,在弱自旋軌道耦合極限下,在近鄰于s-波超導(dǎo)體的GaAs(100)量子阱中,我們研究了超流速度可調(diào)控的準(zhǔn)粒子態(tài)下的準(zhǔn)粒子自旋弛豫。我們闡明GaAs(100)量子阱中準(zhǔn)粒子態(tài)可用超流速度進(jìn)行調(diào)控。在超流速度驅(qū)動(dòng)的準(zhǔn)粒子態(tài)中,我們發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)粒子的費(fèi)米面由兩個(gè)弧所組成(稱為費(fèi)米弧),其分別由類電子和類空穴分支所貢獻(xiàn)。當(dāng)費(fèi)米弧出現(xiàn)后,當(dāng)超導(dǎo)序參量趨于零時(shí),我們發(fā)現(xiàn)D'yakonov-Perel'自旋弛豫是反常的。這是因?yàn)榇藭r(shí)支間散射是禁戒的。當(dāng)與準(zhǔn)電子和準(zhǔn)空穴湮滅相關(guān)的凝聚過(guò)程很慢時(shí),這意味著類電子和類空穴費(fèi)米弧是獨(dú)立的。接著,費(fèi)米弧的非閉合結(jié)構(gòu)使得由自旋軌道耦合提供的有效磁場(chǎng)的角度平均不為零。這一非零值可作為一個(gè)有效的塞曼場(chǎng)。即使在強(qiáng)散射區(qū),這一有效塞曼場(chǎng)也能夠引起自旋振蕩。另外,在強(qiáng)散射區(qū),我們發(fā)現(xiàn)費(fèi)米弧的非閉合結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致自旋弛豫對(duì)動(dòng)量散射的不敏感,這與通常的運(yùn)動(dòng)致窄情形非常不同。我們接著在第12章中運(yùn)用準(zhǔn)粒子近似下規(guī)范不變的光學(xué)Bloch方程研究弱自旋軌道耦合的s-波超導(dǎo)態(tài)量子阱中準(zhǔn)粒子和凝聚體對(duì)THz光場(chǎng)的響應(yīng)。特別地,在Bloch方程中,不僅準(zhǔn)粒子動(dòng)力學(xué)的微觀描述可以實(shí)現(xiàn),凝聚體動(dòng)力學(xué)的影響也能夠包括在內(nèi),其中超流速度和有效化學(xué)勢(shì)自然地出現(xiàn)。我們揭示超流速度自身能夠?qū)?zhǔn)粒子泵浦產(chǎn)生貢獻(xiàn)(泵浦效應(yīng)),而其變化率可貢獻(xiàn)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)從而對(duì)準(zhǔn)粒子產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)(驅(qū)動(dòng)效應(yīng))。我們發(fā)現(xiàn)只要驅(qū)動(dòng)出的超導(dǎo)動(dòng)量比費(fèi)米動(dòng)量來(lái)得小,以兩倍光場(chǎng)頻率振蕩的Higgs模主要是由驅(qū)動(dòng)效應(yīng)而不是泵浦效應(yīng)所激發(fā)的。這與文獻(xiàn)中用到的Liouville方程或者Bloch方程所得到的結(jié)論非常不同,其中驅(qū)動(dòng)效應(yīng)對(duì)反常關(guān)聯(lián)的影響被忽略而僅僅泵浦效應(yīng)被考慮了。更進(jìn)一步,在規(guī)范不變的光學(xué)Bloch方程中,我們基于電荷的兩分量模型自恰地考慮了電荷中性條件。由此,準(zhǔn)粒子的電荷失衡能夠引起凝聚體有效化學(xué)勢(shì)的漲落。我們預(yù)言在光學(xué)過(guò)程中,泵浦效應(yīng)和驅(qū)動(dòng)效應(yīng)兩者都能夠誘導(dǎo)準(zhǔn)粒子的電荷失衡,從而導(dǎo)致化學(xué)勢(shì)的漲落。進(jìn)一步,我們發(fā)現(xiàn)即使在由雜質(zhì)引起的彈性散射下,這一化學(xué)勢(shì)的漲落也會(huì)直接提供電荷失衡的弛豫通道。這與以前文獻(xiàn)中的理解非常不同。以前研究認(rèn)為在各向同性的s-波超導(dǎo)體中,彈性散射不能夠引起任何電荷失衡的弛豫。在強(qiáng)自旋軌道耦合極限下,作為下面研究動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ),在第13章中,我們首先闡明在近鄰于s-波超導(dǎo)體的強(qiáng)自旋軌道耦合的(100)量子阱中,具有三態(tài)序參量的超導(dǎo)態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)。我們揭示考慮到在量子阱中由近鄰效應(yīng)所提供的單態(tài)序參量,不僅三態(tài)庫(kù)伯配對(duì)能由自旋軌道耦合誘導(dǎo)出來(lái),三態(tài)序參量也能由排斥的電子-電子庫(kù)侖相互作用誘導(dǎo)出來(lái)。具體地說(shuō),我們推導(dǎo)了有效的Bogoliubov-deGennes方程,其中由有效的電子-電子相互作用誘導(dǎo)的自能能夠貢獻(xiàn)單態(tài)和三態(tài)序參量。對(duì)于三態(tài)序參量,其為p-波(px± ipy-型)對(duì)稱性,并且其d-矢量平行于由自旋軌道耦合貢獻(xiàn)的有效磁場(chǎng)。我們?cè)贗nSb(100)量子阱中的數(shù)值計(jì)算表明,在適當(dāng)?shù)碾娮訚舛认?單態(tài)和三態(tài)序參量的模值甚至可以互相比擬,從而它們可以在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行區(qū)分。最后,我們介紹這里所預(yù)言的(s+p)-波超導(dǎo)態(tài)量子阱可以作為實(shí)現(xiàn)helical拓?fù)涑瑢?dǎo)體的平臺(tái)。基于上述對(duì)(s+p)-波超導(dǎo)態(tài)InSb量子阱的平衡態(tài)的理解,在第14章中,我們進(jìn)一步運(yùn)用規(guī)范不變的光學(xué)Bloch方程研究其中準(zhǔn)粒子和凝聚體對(duì)THz光場(chǎng)的響應(yīng)。三態(tài)和單態(tài)超導(dǎo)電性的動(dòng)力學(xué)都被研究。具體地說(shuō),對(duì)于三態(tài)超導(dǎo)電性,我們預(yù)言當(dāng)光場(chǎng)中的矢勢(shì)平行于量子阱時(shí),光場(chǎng)能夠誘導(dǎo)出庫(kù)伯對(duì)的自旋極化,其按照光場(chǎng)的頻率振蕩。我們發(fā)現(xiàn)庫(kù)伯對(duì)總自旋極化的方向平行于矢勢(shì)。對(duì)于單態(tài)超導(dǎo)電性,我們闡明由于InSb(100)量子阱中具有大的自旋軌道耦合,體系存在內(nèi)外兩個(gè)費(fèi)米面。在這一特定的構(gòu)型中,超導(dǎo)動(dòng)量可以調(diào)節(jié)得比內(nèi)費(fèi)米面的費(fèi)米動(dòng)量大而比外費(fèi)米面的小。我們發(fā)現(xiàn)在這個(gè)區(qū)域,Higgs模和電荷失衡的動(dòng)力學(xué)相比通常s-波的情形要呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。最后,我們?cè)诘?5章中對(duì)本論文的內(nèi)容做了總結(jié)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O469
【圖文】：

但這一階段中設(shè)計(jì)的自旋電子學(xué)器件離應(yīng)用還有較大距離。這里面，Ｄａｔｔａ－Ｄａｓ晶逡逑體管［１０］被認(rèn)為是第二階段的開端。我們下面著重介紹一下基本原理。Ｄａｔｔａ－Ｄａｓ晶體逡逑管的原始模型如圖１－１所示，為一維體系：左端和右端分別為磁性材料做成的源電極和逡逑漏電極，分別實(shí)現(xiàn)自旋極化的注入和探測(cè)；中間部分為導(dǎo)體通道，其中通過(guò)口電壓（破逡逑壞體系界面反演對(duì)稱性）引入并調(diào)控Ｒａｓ此ａ自旋軌道岕合［１４］。自旋極化的電子從源電逡逑極進(jìn)入到導(dǎo)體通道，在由自旋軌道y咸峁┑撓行Т懦∽饔孟倫孕５鋇玨義獻(xiàn)擁醬锫┑緙κ�，若自旋极化与漏稻~啪仄叫校ǚ雌叫校緶返紀(jì)ǎú壞紀(jì)ǎ�，辶x洗聳鋇淖刺ü兀？杉ü骺氐繼逋ǖ樂(lè)械淖孕斕缹艉峽桑卓刂頻緶返膩義峽刈刺�。Ｄａｔｔａ－Ｄａｓ晶舔q苣Ｐ途」蓯鐘形Γ譴郵笛檣鮮迪制渲猩柘肴床㈠義喜蝗菀�。蕦�(dǎo)噬�，Ｄａｔｔａ－Ｄａｓ晶舔q萇婕暗階孕⑷�、自旋扩散０１及自旋匙暐等衷溵\叔義咸�，设计中也脫]鋅悸強(qiáng)贍苡械納⑸潿運(yùn)撓跋臁＃玻埃埃鼓輳耍錚锏熱嗽謔笛椋郟保擔(dān)葜斜ǖ厘義峽騁丫諍紓粒罅孔猶髦惺迪摯詰緄昕傻骺氐模模幔簦簦幔模幔缶騫�。由釉嵜实验矢`詼邋義舷迪巒瓿傻

本文編號(hào)：2734379