博士学位论文 - Prof. Dr. Ming-Wei Wu - 中国科学技术大学
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第一章 研究背景介绍<br />
流动,同时在注入端口附近积累的多余自旋将会向左右两端同时扩散。通道右端以外<br />
的一大块二维电子气可以认为是一个自旋平衡的电子库,库内的无极化电子为了平衡<br />
从注入端扩散过来的极化电子将向左扩散。于是两股电荷流相互抵消,剩下的只是净<br />
自旋流向电子库流动而没有总的电荷流。在注入端右侧 xid 的距离上还有一个自旋选择<br />
的 QPC 探测端用于探测非局域电压 Vnl,它是由通道中注入的自旋所具有的高化学势<br />
在向右扩散过程中下降导致的。<br />
在量子尺寸下,类似于 p − n 结整流效应的电荷不对称输运现象被称为量子齿轮效<br />
应,周期性的不对称势场会使得电荷能够容易地向某个方向运动而很难向另一个方向运<br />
动 [114]。受到这种电荷齿轮效应的启发,Smirnov 等人 [115,116]最近提出了一种称为自<br />
旋齿轮 (spin ratchets) 的自旋注入方案,如图1-15所示。模型建立在一个具有 Rashba 自<br />
旋轨道耦合以及很强耗散的准一维周期性不对称结构中,在加入 ac 驱动电场后,由于<br />
轨道自由度之间的耦合的存在,不同自旋的电子感受到的是两个相互独立的量子齿轮。<br />
在每一个周期内,自旋向上的电子所受到的平均驱动电场是沿着某个方向的,这使它更<br />
容易地向这个方向运动,而自旋向下的电子所受到的平均驱动电场与之相反。于是不同<br />
自旋的电子就会跟随这两个方向相反的量子齿轮运动形成自旋流,由于耗散的存在,<br />
总的电荷齿轮效应将会消失 [114],最终在没有磁场的情况下就可以得到直流的纯自旋<br />
流。<br />
图 1-15: 孤立的不对称周期性准一维量子线示意图,在线的中间部分周期势较弱,而在边缘部<br />
分则较强,因此电子的群速度在中间区域更高,向两边递减。摘自文献 [115]。<br />
1.3.2 自旋霍尔效应<br />
上面介绍的自旋输运方法很多都是从磁性材料将极化注入非磁性材料,而且自<br />
旋极化的流动大多数都伴随着电荷的流动。有没有可能在非磁性材料内部通过自<br />
旋本身的运动来产生自旋极化流?更进一步地,如果将自旋流的极化简单地定义<br />
为 P = (j↑ − j↓)/(j↑ + j↓),能不能产生一个无穷大的极化?也就是要求 (j↑ − j↓) =<br />
0 而 (j↑ + j↓) = 0,即所谓的纯自旋流。自旋霍尔效应 (spin Hall effect, SHE) 有可能解<br />
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