自旋半導體

自旋半導體

自旋半導體(自旋半導體)

顧名思義，利用電子的自旋來進行數據的存儲、傳輸和計算的半導體我們稱為自 旋半導體，研究自旋半導體的科學叫做自旋電子學。自旋是電子的內稟性質，是純量子效應，并且電子之間的自旋耦合方式和物質的磁性有密切關系，所以自旋半導體多是用摻雜磁性物質的半導體來制作的，使用磁場來控制自旋電流的極化和輸運。由于電子自旋的極化和輸運需要非常少的電流來控制，并且自旋反轉是瞬間完成的，所以自旋半導體器件具有極低的功耗和極快的反應時間，是下一代存儲器的最有希望的備選技術。

自選半導體是近年來飛速發(fā)展的前沿學科領域之一。自旋軌道耦合是影響常見的半導體材料自旋調控和弛豫的重要物理機理，因此是半導體自旋電子學器件應用必須考慮的關鍵因素。近年來，國際上關于半導體中自旋軌道耦合引致的各種新奇的物理現象并取得了許多重要的.進展，如本征自旋Hall效應等。這些研究為在半導體中產生自旋流提供了新的途徑，并為未來的全電操縱的自旋電子學器件提供了物理基礎。但是，在這些工作中大多分別獨立地研究導帶電子或價帶空穴，相互之間不存在耦合，自旋軌道耦合恰恰是來自這種導帶－價帶的耦合。如果微擾地計入導帶－價帶耦合就可以得到目前國際上廣泛使用的Rashba自旋軌道耦合的哈密頓。

近日，中國科學院半導體研究所的常凱研究員，博士生楊文基于多帶的有效質量理論，研究了窄禁帶半導體量子阱 自旋半導體中的自旋軌道耦合，發(fā)現自旋劈裂隨電子波矢的增加而呈現強烈的非線性關系。他們建立的新模型能夠很好地描述非線性行為，并給出了非線性起源的物理圖像。最近，他們同與美國斯坦福大學張守晟教授合作，研究了窄禁帶半導體量子阱中的自旋Hall效應。他們基于多帶有效質量理論，采用Green函數方法，考慮到雜質散射的頂角修正，建立了關于n型和p型半導體中自旋霍爾效應的統(tǒng)一的理論框架。該理論可以很好地處理強導帶－價帶耦合情形，即窄禁帶半導體量子阱情形。他們發(fā)現利用外加電場和量子阱寬度可以在窄禁帶半導體量子阱中引致量子相變，從而實現本征自旋Hall效應的開關。這種開關效應可能會被用來驗證本征自旋霍爾效應的存在。該系列的最新研究工作得到了國家基金委杰出青年基金和科學院知識創(chuàng)新工程項目的支持。并以“IntrinsicSpinHallEffectInducedbyQuantumPhaseTransitionsinHgCdTeQuantumWells”為題發(fā)表在《物理評論快報》PRL,100,056602(2008)上。這些工作引起了德國Wurzburg大學實驗小組的強烈興趣，相關實驗工作正在進行中。

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