结构反演不对称自旋分裂

科技工作者之家 2020-11-17

Dresselhaus 自旋轨道耦合表达式中多出的相同项由量子阱结构不对称导致,与晶格本身无关,称为结构反演不对称自旋分裂(SIA),也叫结构反演不对称。

简介半导体体系中,由于自旋轨道相互作用导致自旋简并的解除,因而在哈密顿量中出现波矢的线性项,形成自旋分裂。这种分裂表现为电子能量与动量的色散关系由一条抛物曲面分裂为二,使自旋不同电子能级分裂。而引起自旋分裂的机制为:结构反演不对称自旋分裂(SIA)导致的 Rashba 效应和晶体反演不对称(BIA)导致的 Dresselhaus效应。同时异质结的界面反演不对称(IIA)也可以导致 Dresselhaus 效应,因为其哈密顿量同BIA类似。1

形成因素结构反演不对称自旋分裂(SIA)通常由内建电场、非对称的掺杂,三角形量子势阱、异质结等外部因素导致。

Rashba效应与Dresselhaus效应自旋轨道相互作用表征电子自旋和运动的关系,通常表现为能级的分裂。在半导体电子学中,自旋轨道耦合是影响自旋操控和自旋驰豫的重要物理机制。反演非对称半导体体系下的自旋轨道耦合会导致自旋分裂而引起Rashba 效应和 Dresselhaus 效应。

半导体体系中,由于自旋轨道相互作用导致自旋简并的解除,因而在哈密顿量中出现波矢的线性项,形成自旋分裂。这种分裂表现为电子能量与动量的色散关系由一条抛物曲面分裂为二,使自旋不同电子能级分裂。而引起自旋分裂的机制为:结构反演不对称(SIA)导致的 Rashba 效应和晶体反演不对称(BIA)导致的 Dresselhaus效应。同时异质结的界面反演不对称(IIA)也可以导致 Dresselhaus 效应,因为其哈密顿量同BIA类似。

研究进展固体材料中有很多有趣的物理现象,例如磁晶各向异性、自旋霍尔效应、拓扑绝缘体等,都与自旋轨道耦合密切相关。在表面/界面体系中,由于结构反演不对称自旋分裂导致的自旋轨道耦合称为Rashba自旋轨道耦合,在半导体材料中获得研究,并因其强度可由栅电压灵活调控而备受关注,成为电控磁性的重要物理基础之一。

自旋轨道耦合作用磁性金属表面态可同时存在铁磁交换劈裂和Rashba自旋劈裂,并因此引起更多与自旋相关的物理现象Krupin等以Gd(0001)表面为例研究了磁性金属表面Rashba自旋轨道耦合劈裂。先基于近自由电子模型定性描述了磁性金属表面Rashba自旋劈裂。

自旋轨道耦合的电学方法调控在半导体异质结中,Rashba自旋轨道耦合强度可由栅极电压调控,这也是Rashba自旋轨道耦合比其他自旋轨道耦合作用更受关注的原因。属表面的Rashba自旋轨道耦合能否通过外加电场来调控。2006年,Bihlmayer等以Lu(0001)为例研究了电场对金属表面Rashba自旋轨道耦合的调控。在金属表面存在垂直于表面的内建电场,该电场与金属的功函数相关。对金属表面施加外电场时,该外加电场可增加或降低表面态波函数的对称性,进而增强或减弱表面Rashba自旋轨道耦合。

直接对金属表面施加外电场也可以调控表面Rashba自旋轨道耦合强度利用第一性原理计算研究了电场对Au(111)表面自旋轨道耦合的调控。

除了直接对金属表面施加外电场,在金属/铁电体复合材料界面,利用铁电极化翻转也可有效调控界面处Rashba自旋轨道耦合强度。2010年,Abdelouahed等利用第一性原理计算研究了Bi/BaTi03复合体系,发现BaTi03铁电极化翻转对Bi-6p轨道形成的Rashba自旋劈裂表面态有一定影响。2

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学

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