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半导体中与自旋相关的新奇量子现象

王靖  
【摘要】:自旋电子学的研究是当前凝聚态物理领域中最重要的研究课题之一。自旋电子学是利用电子的自旋而非电子的电荷作为信息载体而发展的物理和电子器件研究的分支领域。如何操控和探测电子自旋便成为了自旋电子学的关键问题。本文首先回顾并总结了自旋电子学研究的历史与现状,然后讨论了作为自旋信息传输核心的自旋流,并从自旋流的基本性质出发,简要回顾了目前国际上探测自旋流的实验手段,鉴于目前尚无实时、原位测量纯自旋流的实验手段,我们研究了半导体中纯自旋流的线性光学(法拉第旋转)和二阶非线性光学效应,并提出以此直接测量半导体中纯自旋流的理论。我们预言的自旋流的倍频效应很快得到了实验证实。接着我们讨论了III-V族半导体量子点中电子自旋的退相干问题,提出了通过非线性光学实现自旋回波的理论。 寻找和研究新的物质态一直是凝聚态物理研究的热点。在半导体以及低维结构中,电子的自旋轨道耦合会导致一些新奇的量子态。这些新的量子态也导致自旋电子学新的发展。我们的研究主要集中在拓扑绝缘体,一类表面存在无能隙金属态的绝缘体。二量子自旋Hall效应实际上是二维拓扑绝缘体的物理上的表现。我们讨论了拓扑绝缘体的基本性质以及场论描述,进一步探讨了拓扑绝缘体中的电子电子相互作用。我们从拓扑绝缘体体内的磁性涨落出发,指出当某种反铁磁长程序存在时,体系将会出现新的元激发-动力学轴子,其与光子耦合形成新的极化激元。我们称这种绝缘体为拓扑磁性绝缘体,并且研究了具有Corundum结构的过渡金属氧化物,指出其有可能实现拓扑磁性绝缘体。拓扑绝缘体的新奇之处在于表面存在奇数个受时间反演对称保护的Dirac电子态,因此最后我们讨论了拓扑表面态的有效模型,并且研究了其Landau能级量子化和准粒子相干,部分结果很快被实验证实。


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