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    【大学课件】自旋电子学.ppt

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    【大学课件】自旋电子学.ppt

    Ch 4 自旋电子学,本讲(2学时)内容重点:(1)基本问题:自旋的注入、输运和检测(2)铁磁/半导体结注入方式的困难(3)自旋Hall效应(新)(物理所,理论研究者),http:/,Spintronics的含义?,电子:电荷和自旋(电子自旋为1/2)自旋极化:自旋向上与向下电子数不等。调控自旋极化的电流:注入、放大、检测。回忆:半导体MOS中 电流的“源”、“漏”和控制“门电极”下图:设想的一种自旋晶体管,http:/,(1)基本问题,1,自旋注入“使传导电子自旋极化”即产生非平衡的自旋电子(占有数)n n 方法之一,光学技术。光取向或光抽运。方法之二,电学自旋注入。(便于器件的应用),http:/,基本问题,2,自旋传输 自旋电流从FM电极注入半导体,会在界面和半导体内产生“累积”自旋弛豫机制 会使得自旋的非平衡转向平衡。这个特征时间大约是几十纳秒,足够长!3,自旋检测 自旋状态的改变。,http:/,三种自旋注入实验,http:/,1,电注入电检测,铁磁/半导体结 早期:效率太低,P.R.Hammar et al,PRL 83,203(1999)S.Gardelis,et al,PRB 60,7764(1999),http:/,今年最新结果自旋注入的一条新路?,庞磁电阻碳纳米管(CMR)CNT)Nature 445(Jan 2007)410413 LSMO,http:/,自旋注入的一条新路?高效率!低温?,?,http:/,2,电注入光检测(之一),实验:磁性半导体电注入 和 偏振光检测产生:P型(Ga,Mn)As 的自旋极化空穴 和N型GaAs的非极化电子 进入InGaAs量子阱复合,产生极化的场致发光。(T=6K;H=1,000 Oe)检测:偏振光检测,http:/,2,电注入光检测(之二),场致发光强度(左)极化度(右),http:/,3,光产生光检测(之一),强激光Pump在半导体中,产生了 Spin-polarized state,此时的半导体等效于”磁体”.可以用Farady-Kerr 效应做光检测Probe.,http:/,3,光产生光检测(之二),http:/,(2)铁磁/半导体结注入方式的困难,电注入的问题在那里?“从铁磁金属直接发射电子到半导体中”。“这种自旋注入方式,面临一个基本障碍。那就是这两种材料之间的电导失配。”,http:/,Schmidt的计算模型(1),结构:FM金属(1)/半导体(2)/FM 金属(3)第一界面,为 X 0,第二界面,为 X X0 两流体模型!,http:/,Schmidt的计算模型(2),简化:1维问题(垂直界面方向)任务:首先,计算各个区域的“化学势”和“自旋极化电流”其次,计算半导体区域电流的“自旋注入的效率”问题:电流、化学势、边条件、电导率失配?,http:/,Schmidt的计算模型(3),自旋极化率定义其中,分别为 FM,SC,FM对于注入区(铁磁金属)的自旋极化电流,计算,接收区(半导体)自旋极化的电流注意:电流密度 是材料、自旋和坐标的函数。,http:/,Schmidt的计算模型(4),需要,计算“自旋相关的”电流密度。自旋极化电流服从Ohm定律其中,是两种自旋的电导率,*注意,电流密度与化学势的斜率成比例(!),http:/,Schmidt的计算模型(5),为此,先要计算“自旋相关的”化学势。化学势服从扩散方程,http:/,Schmidt的计算模型(6),求解扩散方程 对于铁磁材料区,化学势的形式解是:这里,i1,3。X1 0;X3 X0。()分别对应 1,3。,http:/,Schmidt的计算模型(7),求解扩散方程(续)对于半导体材料区,化学势的形式解是:形式解的意义:电流密度与位置(X 坐标)无关。代入扩散方程,利用边界条件求解,http:/,Schmidt的计算模型(8),代入扩散方程和Ohm定律,利用边界条件求解:电流连续:电荷守恒:化学势相等 化学势相等,http:/,Schmidt的计算模型(9),得到了 和 的方程,如下半导体区域的 电流自旋极化度,http:/,Schmidt的计算模型(10),计算结果半导体区的电流密度“自旋极化率”,http:/,Schmidt的计算模型(11)数值结果分析(材料因子分子小分母大),http:/,理解Schmidt“障碍”,铁磁金属的电导是 半导体电导的1000倍!铁磁金属中载流子浓度 约 半导体中少数载流子浓度仅仅 尽管,铁磁金属中迁移率远小于半导体 再一次表现出矛盾:铁磁有序需要高浓度电子 电子输运需要低浓度电子,http:/,http:/,(3)自旋Hall效应(Science 301,1348(2003);PhysRevLett92,126603(2004)),理论分析指出:很多半导体的载流子都具有自旋轨道耦合作用。如果 在该半导体上施加纵向电场,将会产生横向自旋流。(即自旋向上和向下的电子分别沿横向朝相反的方向流动)。这就会在横向积累不同取向的自旋,称为自旋霍尔效应。,http:/,自旋注入的可能途径,自旋Hall效应诱导出的自旋流可以用作自旋注入。因为自旋流是从半导体中产生的,所以不存在电导率不匹配的问题。用这种方法得到的自旋输运可能是一种无耗散的过程。需要经实验证实。,http:/,自旋轨道耦合和电场的作用,以高迁移率二维电子系统(2DES)为例Rashba(1984)的Hamiltonian为其中,是Rashba耦合常数,是Pauli矩阵,是电子有效质量,是垂直于2DES平面的单位矢量,是动量。,http:/,有效磁场,另一种写法是其中,相当于一个作用在自旋上的有效磁场。比较普通Hall效应:电荷在磁场中受力,http:/,物理图像自旋(红色)垂直于 动量(绿色),在能量上有利。看图(a)自旋取向彼此相反。,http:/,在x方向加电场(看图b),电子在x 反方向加速,在动量空间产生漂移 动量漂移导致Rashba Hamiltonian的变化这等价于在自旋上施加一个变化的有效力场。,http:/,自旋的运动的Bloch方程(比较铁磁共振现象),其中,是自旋的方向,是进动时受到的阻尼力。(注意:矢量和力矩的作用。),http:/,自旋流,可以证明,动量空间漂移的结果是,在自旋上受到一个“顺时针”作用(力矩)。于是,一半自旋指向 方向;另一半自旋指向 方向。这就是自旋流。(看图b),http:/,实验证据 Kato等2004,GaAs 和InGaAs 薄膜。激光束偏振面KR旋转角度,取决于(1)自旋极化程度(2)自旋方向与偏振方向夹角。移动入射激光束,在样品的两个边缘处,有KR存在;而且方向相反。,http:/,KR与样品位置、电场,http:/,KR换算成自旋密度。在电流方向均匀。(样品长方向),http:/,结束,http:/,

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