博士学位论文 - Prof. Dr. Ming-Wei Wu - 中国科学技术大学
博士学位论文 - Prof. Dr. Ming-Wei Wu - 中国科学技术大学
博士学位论文 - Prof. Dr. Ming-Wei Wu - 中国科学技术大学
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
1.2.1 Datta-Das 晶体管<br />
Ω<br />
n<br />
k<br />
VG<br />
01<br />
01<br />
01<br />
01<br />
01<br />
01<br />
01<br />
01<br />
01<br />
01<br />
Source <strong>Dr</strong>ain<br />
Transport<br />
01<br />
01<br />
01<br />
01<br />
01<br />
FM 01<br />
01<br />
01<br />
01<br />
01<br />
FM<br />
第一章 研究背景介绍<br />
图 1-4: Datta-Das 自旋场效应管示意图,摘自文献 [7, 29]。两边的自旋注入端 (Source) 和自旋<br />
探测端 (<strong>Dr</strong>ain) 是铁磁材料,并且具有相同的磁化方向。中间通道通常为半导体异质结,其中<br />
的 SIA(Rashba) 自旋轨道耦合可以由门电压 VG 来调节,入射的电子自旋会绕着自旋轨道耦合<br />
所建立的有效磁场作进动。上面一行表示进动周期远大于电子飞行时间,自旋仍沿入射方向,<br />
通过的电流很大;下面一行表示进动周期较小,如果刚好使得自旋反向的话,通过的电流就很<br />
小。<br />
图1-4给出了 Datta 和 Das 在 1990 年 [29]提出的自旋场效应管的示意图。自旋注入<br />
端 (Source) 和自旋探测端 (<strong>Dr</strong>ain) 是磁化方向平行的铁磁材料。入射的波矢为 k 的电子<br />
通过由半导体异质结构成的低维通道时,会感受到结构反演不对称 (structure inversion<br />
asymmetry, SIA) 导致的 Bychkov-Rasha 自旋轨道耦合 [86]所形成的有效磁场 Ω 而产<br />
生进动。由于 Ω = αE × k,因此其大小可以通过门电压 VG 来控制,方向同时垂直于<br />
电场方向和运动方向。理想情况下,电子在通道中弹道 (ballistic) 输运,当有效磁场<br />
很小,自旋进动周期远大于电子飞行时间,或者磁场大小正好使得自旋进动转过偶数<br />
倍的 π 角度时,自旋仍然保持原来的取向,通过晶体管的电流较大。通过调节门电压<br />
的大小使得有效磁场恰好能使自旋方向进动到相反的方向上,即自旋进动转过奇数倍<br />
的 π 角度,那么通过的电流就很小。目前,通过门电压控制有效磁场的实验手段已经<br />
比较成熟 [87, 88],这种对自旋的操纵所消耗的能量比传统晶体管操纵电荷所需要的能<br />
量小的多,因此性能比传统晶体管优越。然而,即使人们采用高迁移率材料来作通道,<br />
在室温下弹道输运的条件还是不能满足,实际上,散射会使自旋极化发生不可逆转的<br />
自旋弛豫,这很不利于实现 Datta-Das 晶体管。采用具有体反演不对称 (bulk inversion<br />
asymmetry, BIA) 的二维材料可能是一种解决的办法,当 BIA 导致的 <strong>Dr</strong>esselhaus 自<br />
旋轨道耦合 [89]的系数 β 与 Rashba 自旋轨道耦合的系数 α 相同时,有效磁场的方向<br />
是一个与动量无关的固定方向 1○ ,因此在这个特定方向上 2○ 的自旋弛豫时间将会非常<br />
1○ 在不考虑 <strong>Dr</strong>esselhaus 三次方项的情况下<br />
2○ 例如对于 GaAs 是 (110) 方向<br />
5
Change language