【大學(xué)】自旋電子學(xué)

Ch4自旋電子學(xué)本講（2學(xué)時(shí)）內(nèi)容重點(diǎn)：（1）基本問題：自旋的注入、輸運(yùn)和檢測(cè)（2）鐵磁/半導(dǎo)體結(jié)注入方式的困難（3）自旋Hall效應(yīng)(新)(物理所,理論研究者)編輯pptSpintronics的含義？電子：電荷和自旋（電子自旋為1/2）自旋極化：自旋向上與向下電子數(shù)不等。調(diào)控自旋極化的電流：注入、放大、、檢測(cè)?；貞洠喊雽?dǎo)體MOS中電流的“源”、“漏”和控制“門電極”下圖：設(shè)想的一種自旋晶體管

編輯ppt（1）基本問題1,自旋注入

“使傳導(dǎo)電子自旋極化”即產(chǎn)生非平衡的自旋電子（占有數(shù)）

n↑≠n↓

方法之一，光學(xué)技術(shù)。光取向或光抽運(yùn)。方法之二，電學(xué)自旋注入。（便于器件的應(yīng)用）

編輯ppt基本問題2,自旋傳輸

自旋電流從FM電極注入半導(dǎo)體，會(huì)在界面和半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生“累積”自旋弛豫機(jī)制會(huì)使得自旋的非平衡轉(zhuǎn)向平衡。

這個(gè)特征時(shí)間大約是幾十納秒，足夠長！3,自旋檢測(cè)自旋狀態(tài)的改變。

編輯ppt三種自旋注入實(shí)驗(yàn)

工作方式實(shí)驗(yàn)器件優(yōu)點(diǎn)困難1電注―電檢FM/Semic結(jié)電方案效率低2電注―光檢磁性半導(dǎo)體多層電方案低溫3光生―光檢GaAs/ZnSe實(shí)驗(yàn)室易實(shí)現(xiàn)不易應(yīng)用編輯ppt1，電注入―電檢測(cè)

鐵磁/半導(dǎo)體結(jié)

早期：效率太低，P.R.Hammaretal，PRL83，203（1999）S.Gardelis,etal,PRB60,7764(1999)編輯ppt

今年最新結(jié)果

自旋注入的一條新路？

龐磁電阻＋碳納米管（CMR）＋CNT）Nature445（Jan2007）410－413

LSMO編輯ppt自旋注入的一條新路？

高效率！低溫？

？編輯ppt2，電注入―光檢測(cè)（之一）實(shí)驗(yàn)：磁性半導(dǎo)體電注入和偏振光檢測(cè)產(chǎn)生：

P型－(Ga,Mn)As

的自旋極化空穴和N型－GaAs的非極化電子進(jìn)入InGaAs量子阱復(fù)合，

產(chǎn)生極化的場(chǎng)致發(fā)光。（T=6K;H=1,000Oe）檢測(cè)：偏振光檢測(cè)編輯ppt2，電注入―光檢測(cè)（之二）

場(chǎng)致發(fā)光強(qiáng)度（左）極化度（右）編輯ppt3，光產(chǎn)生―光檢測(cè)（之一）

強(qiáng)激光Pump在半導(dǎo)體中，產(chǎn)生了Spin-polarizedstate,此時(shí)的半導(dǎo)體等效于”磁體”.可以用Farady-Kerr效應(yīng)做光檢測(cè)Probe.編輯ppt3，光產(chǎn)生―光檢測(cè)（之二）

編輯ppt（2）鐵磁/半導(dǎo)體結(jié)注入方式的困難電注入的問題在那里？

“從鐵磁金屬直接發(fā)射電子到半導(dǎo)體中”?！斑@種自旋注入方式，面臨一個(gè)基本障礙。那就是這兩種材料之間的電導(dǎo)失配?！本庉媝ptSchmidt的計(jì)算模型（1）

結(jié)構(gòu)：FM金屬（1）//半導(dǎo)體（2）

//FM金屬（3）

第一界面，為

X＝0，第二界面，為X＝X0

兩流體模型！編輯pptSchmidt的計(jì)算模型（2）簡化：1維問題（垂直界面方向）任務(wù)：首先，計(jì)算各個(gè)區(qū)域的“化學(xué)勢(shì)”和“自旋極化電流”其次，計(jì)算半導(dǎo)體區(qū)域電流的“自旋注入的效率”

問題：電流、化學(xué)勢(shì)、邊條件、電導(dǎo)率失配？編輯pptSchmidt的計(jì)算模型（3）

自旋極化率定義其中，分別為FM，SC，F(xiàn)M對(duì)于注入?yún)^(qū)（鐵磁金屬）的自旋極化電流，計(jì)算，接收區(qū)（半導(dǎo)體）自旋極化的電流注意：電流密度是材料、自旋和坐標(biāo)的函數(shù)。編輯pptSchmidt的計(jì)算模型（4）需要，計(jì)算“自旋相關(guān)的”電流密度

。自旋極化電流服從Ohm定律其中，σ↑↓是兩種自旋的電導(dǎo)率，*注意，電流密度與化學(xué)勢(shì)的斜率成比例（?。┚庉媝ptSchmidt的計(jì)算模型（5）為此，先要計(jì)算“自旋相關(guān)的”化學(xué)勢(shì)。化學(xué)勢(shì)服從擴(kuò)散方程

編輯pptSchmidt的計(jì)算模型（6）求解擴(kuò)散方程

對(duì)于鐵磁材料區(qū)，化學(xué)勢(shì)的形式解是：這里，i＝1，3。X1＝0；X3＝X0。＋（－）分別對(duì)應(yīng)1，3。編輯pptSchmidt的計(jì)算模型（7）求解擴(kuò)散方程（續(xù)）對(duì)于半導(dǎo)體材料區(qū)，化學(xué)勢(shì)的形式解是：形式解的意義：電流密度與位置（X坐標(biāo)）無關(guān)。代入擴(kuò)散方程，利用邊界條件求解編輯pptSchmidt的計(jì)算模型（8）代入擴(kuò)散方程和Ohm定律，利用邊界條件求解：電流連續(xù)：

電荷守恒：化學(xué)勢(shì)相等

化學(xué)勢(shì)相等編輯pptSchmidt的計(jì)算模型（9）得到了和的方程，如下半導(dǎo)體區(qū)域的電流自旋極化度編輯pptSchmidt的計(jì)算模型（10）計(jì)算結(jié)果半導(dǎo)體區(qū)的電流密度“自旋極化率”編輯pptSchmidt的計(jì)算模型（11）

數(shù)值結(jié)果分析（材料因子分子小分母大）FM自旋極化βFM自旋擴(kuò)散長度半導(dǎo)體厚度二者之比60％10納米1000納米10－280％100納米10納米？？10SC電導(dǎo)FM電導(dǎo)二者之比材料因子自旋極化率110＋310－310－52×10－5110＋310－310－21×10－2編輯ppt理解Schmidt“障礙”鐵磁金屬的電導(dǎo)是半導(dǎo)體電導(dǎo)的1000倍！

鐵磁金屬中載流子濃度約半導(dǎo)體中少數(shù)載流子濃度僅僅盡管，鐵磁金屬中遷移率遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體再一次表現(xiàn)出矛盾：鐵磁有序――需要高濃度電子電子輸運(yùn)――需要低濃度電子編輯ppt

鐵磁金屬半導(dǎo)體金屬比半導(dǎo)體1載流子濃度高6－7個(gè)量級(jí)2遷移率10（？）低2－3個(gè)量級(jí)3電導(dǎo)

<10高3－4個(gè)量級(jí)4平均自由程λ20nm200－2000納米低1個(gè)量級(jí)5自旋擴(kuò)散長度Ls100納米1微米低1個(gè)量級(jí)編輯ppt（3）自旋Hall效應(yīng)

（Science301，1348（2003）；PhysRevLett92,126603(2004)）

理論分析指出：很多半導(dǎo)體的載流子都具有自旋－軌道耦合作用。如果在該半導(dǎo)體上施加縱向電場(chǎng)，將會(huì)產(chǎn)生橫向自旋流。（即自旋向上和向下的電子分別沿橫向朝相反的方向流動(dòng)）。

這就會(huì)在橫向積累不同取向的自旋，稱為自旋霍爾效應(yīng)。編輯ppt自旋注入的可能途徑自旋Hall效應(yīng)誘導(dǎo)出的自旋流可以用作自旋注入。因?yàn)樽孕魇菑陌雽?dǎo)體中產(chǎn)生的，所以不存在電導(dǎo)率不匹配的問題。用這種方法得到的自旋輸運(yùn)可能是一種無耗散的過程。

需要經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。編輯ppt自旋－軌道耦合和電場(chǎng)的作用以高遷移率二維電子系統(tǒng)（2DES）為例Rashba（1984）的Hamiltonian為其中，是Rashba耦合常數(shù)，是Pauli矩陣，是電子有效質(zhì)量，是垂直于2DES平面的單位矢量，是動(dòng)量。編輯ppt有效磁場(chǎng)另一種寫法是其中，

相當(dāng)于一個(gè)作用在自旋上的有效磁場(chǎng)。比較普通Hall效應(yīng)：電荷在磁場(chǎng)中受力編輯ppt

物理圖像自旋（紅色）垂直于動(dòng)量（綠色），在能量上有利?？磮D（a）自旋取向彼此相反。編輯ppt在x－方向加電場(chǎng)（看圖b）電子在－x反方向加速，在動(dòng)量空間產(chǎn)生漂移

動(dòng)量漂移導(dǎo)致RashbaHamiltonian的變化這等價(jià)于在自旋上施加一個(gè)變化的有效力場(chǎng)。編輯ppt自旋的運(yùn)動(dòng)的Bloch方程

（比較鐵磁共振現(xiàn)象）

其中，是自旋的方向，是進(jìn)動(dòng)時(shí)受到的阻尼力。

（注意：矢量和力矩的作用。）編輯ppt自旋流可以證明，動(dòng)量空間漂移的結(jié)果是，在自旋上受到一個(gè)“順時(shí)針”作用（力矩）。于是，一半自旋指向方向；另一半自旋指向方向。這就是自旋流。（