本文選題：自旋霍爾效應 + 立方Rashba自旋軌道耦合�。� 參考：《中國科學技術大學》2017年博士論文

【摘要】：自旋霍爾效應是指縱向電流誘導產(chǎn)生橫向自旋輸運的一種現(xiàn)象。作為自旋電子學領域的重要概念和方法,自旋霍爾效應提供了利用純電學手段來操控自旋自由度的可能。根據(jù)自旋軌道耦合來源的不同,自旋霍爾效應的產(chǎn)生機制分為內(nèi)稟性和外稟性兩種,其中外稟性機制中又包含側(cè)躍(side jump)和偏散射(skew scattering)兩種效應。自2003年以來,關于半導體材料中自旋霍爾效應的微觀動力學研究已經(jīng)取得了很大的進展,各機制單獨作用下自旋霍爾效應的規(guī)律基本為人們所掌握,計算得到的自旋霍爾電導與實驗定量符合。另一方面,內(nèi)稟性與外稟性機制之間的關系與相互作用仍然有待厘清。在簡單梳理各單一機制貢獻的基礎上,我們從量子劉維方程出發(fā),得到弱散射情形下密度矩陣滿足的動力學方程,方程中的哈密頓量將同時包含能帶自旋軌道耦合和雜質(zhì)自旋軌道耦合。經(jīng)過計算,我們發(fā)現(xiàn)常規(guī)定義下的側(cè)躍項和偏散射項對自旋霍爾效應貢獻為零,系統(tǒng)另外出現(xiàn)與反常位置算符r_(SO)相關的兩種反常自旋進動項,對于二維半導體電子體系,由電子反常進動項導致的自旋霍爾電導σ_(Eλ)~(SH)大小為純側(cè)躍霍爾電導的一半,而符號卻與之相反。進一步地,我們將電子能帶自旋軌道耦合由線性k項推廣至立方Rashba項,對于前者,雜質(zhì)反常自旋進動貢獻σ_(Uλ)~(SH) =-σ_(Eλ)~(SH)的自旋霍爾電導,總自旋霍爾電導因此消失:對于后者,雜質(zhì)反常自旋進動的貢獻為σ_(Uλ)~(SH)=-σ_(Eλ)~(SH)/2,總自旋霍爾電導取有限值。反常自旋進動對空穴系統(tǒng)的貢獻為零。反常自旋進動的出現(xiàn),本質(zhì)上可視為電場和雜質(zhì)相關的自旋軌道耦合對能帶自旋軌道耦合的重整化效應。最后,我們認為有希望在二維銻化銦量子阱體系中觀察到反常自旋進動霍爾效應。相比傳統(tǒng)半導體材料,石墨烯具有單原子層厚的本征二維屬性和低能線性色散關系,堪稱孕育新奇量子物態(tài)的溫床�；谑┑�(量子)自旋霍爾效應,(量子)谷霍爾效應和(量子)反常霍爾效應等理論方案相繼被提出。石墨烯動量空間中的兩能谷相距較遠,谷間散射較弱,低能下谷指標作為贗自旋自由度,可以用于電子學信息處理。在空間反演對稱破缺的情況下,石墨烯中將出現(xiàn)谷霍爾效應現(xiàn)象,與自旋霍爾效應類似,這時縱向電場將導致不同能谷處的電子偏向樣品相反邊界,產(chǎn)生谷指標的橫向傳遞。雙層石墨烯的空間反演對稱性能夠被外加層間電勢差所破壞,在此基礎上,當層間電勢差在空間某處發(fā)生翻轉(zhuǎn),翻轉(zhuǎn)處會出現(xiàn)局域的一維零線模態(tài)。零線模態(tài)與翻轉(zhuǎn)勢兩側(cè)區(qū)域的能帶拓撲性質(zhì)有關并受到拓撲保護。零線模態(tài)攜帶確定的谷指標,其傳輸方向呈現(xiàn)手征性,可以被用來設計和操控電流通道。雙層石墨烯層間電勢差的最直接實現(xiàn)方案是利用外電極加壓,由于零線模態(tài)所允許的翻轉(zhuǎn)勢的最大跨度在100mm以內(nèi)。不同極板之間的準直會對一維零線模態(tài)的實驗觀察產(chǎn)生顯著的影響。我們考慮了外電極的各種可能空間幾何位錯,并利用緊束縛模型方法模擬了各種位錯對零線模態(tài)能帶的影響。我們發(fā)現(xiàn)上下極板之間的相對位移對零線模態(tài)能帶的扭曲為最大,而零線模態(tài)傳輸方向?qū)κ┚Ц裰芷陬愋偷囊蕾嚥⒉幻舾��？紤]到實際樣品中廣泛存在各種拓撲缺陷,我們利用Landauer-Buttiker公式計算了拓撲缺陷對零線模態(tài)輸運性質(zhì)的影響,結(jié)果證明零線模態(tài)具有較強的魯棒性。我們希望該項研究能夠?qū)嶒炋峁┮欢ㄖ笇б饬x。
[Abstract]:The spin Holzer effect is a phenomenon of transverse spin transport induced by longitudinal current. As an important concept and method in the field of spintronics, the spin Holzer effect provides the possibility of manipulating spin freedom by means of pure electrical means. The mechanism of the spin Holzer effect is divided into a mechanism based on the difference of the source of spin orbit coupling. There are two kinds of natural and natural nature, of which there are two effects in the intrinsic mechanism, which are side jump (side jump) and partial scattering (skew scattering). Since 2003, a great progress has been made in the study of the micro dynamics of the spin Holzer effect in semiconductor materials. The rules of the spin Holzer effect under the individual mechanisms of each mechanism are basically the people. On the other hand, the relationship and interaction between the intrinsic and the intrinsic mechanism remains to be clarified. On the basis of the simple combing of the contribution of each single mechanism, we start from the quantum Liu Wei equation to obtain the kinetic equation that the density matrix satisfies in the case of weak scattering. The Hamiltonian in the equation will include both the spin orbit coupling and the impurity spin orbit coupling. After calculation, we find that the side jump and partial scattering term under the conventional definition contribute zero to the spin Holzer effect, and the system also has two anomalous spin precession related to the anomalous position operator r_ (SO), for two-dimensional semiconductor electricity. The spin Holzer conductance (E lambda) ~ (SH) is the half of the pure side jump Holzer conductance caused by the electronic anomalous precession term, and the symbol is the opposite. Further, we extend the spin orbit coupling from the linear K term to the cubic Rashba term. For the former, the impurity anomalous spin precession contributes sigma (SH) = - Sigma (E lambda) ~ (S) ~ (S) H's spin Holzer conductance, the total spin Holzer conductance is disappearing: for the latter, the contribution of the impurity anomalous spin precession is the sigma (U lambda) ~ (SH) = ~ (E lambda) ~ (SH) /2, the total spin Holzer conductance limited. The anomalous spin precession has a zero contribution to the cavitation system. The appearance of the anomalous spin precession is essentially regarded as the electric field and the spin related spin. The renormalization effect of the orbital coupling on the coupled spin orbit coupling. Finally, we believe that there is a hope to observe the anomalous spin precession Holzer effect in the two-dimensional indium quantum well system. Compared with the traditional semiconductor materials, the graphene has the intrinsic two-dimensional properties of the single atomic layer and the low energy linear dispersion relation, which can be known as a novel quantum state. The theoretical schemes based on the (quantum) spin Holzer effect of graphene, the (quantum) Valley Holzer effect and the (quantum) anomalous Holzer effect have been proposed. The two energy valleys in the momentum space of the graphene are far apart, the inter Valley scattering is weak, and the low energy valley index as a pseudo self rotation freedom can be used in the electronic information processing. The spatial inversion can be used in space inversion. In the case of symmetry breaking, the phenomenon of the valley Holzer effect will appear in graphene, similar to the spin Holzer effect, when the longitudinal electric field will lead to the electrons in different valleys at the opposite boundary and produce the transverse transfer of the valley index. The spatial inversion of the double graphene is destroyed by the interlayer potential difference. When the interlayer potential difference occurs somewhere in the space, there will be a local one-dimensional zero line mode. The zero line mode is related to the topological properties of the energy band on both sides of the flipping potential and is protected by the topology. The zero line mode carries the definite Valley index, and its transmission direction is chiral, which can be used to design and manipulate the double layer stone. The most direct way to realize the potential difference between the laminar layer is to use the external electrode pressure, because the maximum span allowed by the zero line mode is within 100mm. The collimation between the different plates will have a significant effect on the experimental observation of the one-dimensional zero line mode. We find that the relative displacement between the upper and lower plates has the greatest distortion of the zero line modal energy band, and the zero line modal transmission direction is not sensitive to the dependence of the periodic type of the graphene lattice. Considering the wide variety of topological defects in the actual sample, we benefit. The effects of topological defects on the transport properties of zero line modal transport are calculated by the Landauer-Buttiker formula. The results show that the zero line mode has strong robustness. We hope that the study can provide some guidance for the experiment.
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O469

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本文編號：2063938