自旋軌道耦合系統(tǒng)中的守恒自旋流

自旋軌道耦合系統(tǒng)中的守恒自旋流第1頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日耦合量子點(diǎn)系統(tǒng)中相互作用電子的場(chǎng)致局域化工作簡(jiǎn)介------------------------------------理論模型第2頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日Hund-Mulliken近似:利用兩個(gè)正交歸一化的單粒子態(tài)來(lái)構(gòu)造三個(gè)自旋單重態(tài)作為基空間

Hund-Mulliken近似下的含時(shí)哈密頓量可寫(xiě)為：---------------------------------------------------工作簡(jiǎn)介第3頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日雙電子系統(tǒng)的基態(tài)嚴(yán)格的數(shù)值解：Hund-Mulliken近似：工作簡(jiǎn)介第4頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日準(zhǔn)能譜工作簡(jiǎn)介第5頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日相互作用二電子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)局域化工作簡(jiǎn)介第6頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日對(duì)于相互作用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)能級(jí)簡(jiǎn)并動(dòng)力學(xué)局域化:

工作簡(jiǎn)介第7頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日庫(kù)侖增強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)局域化工作簡(jiǎn)介第8頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日結(jié)論與無(wú)相互作用情況相比，要使得兩個(gè)電子克服庫(kù)侖相互作用局域在一個(gè)量子阱中，需要較弱的交流電場(chǎng)。與無(wú)相互作用情況相比，庫(kù)侖相互作用可以增強(qiáng)動(dòng)力學(xué)局域化。工作簡(jiǎn)介第9頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日自旋相關(guān)的Anderson模型:鐵磁耦合量子點(diǎn)中的自旋相關(guān)輸運(yùn)工作簡(jiǎn)介第10頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日whereParallelconfiguration:Antiparallelconfiguration工作簡(jiǎn)介隧穿電流第11頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日平均場(chǎng)近似不計(jì)自旋翻轉(zhuǎn)下的隧穿電流和電子數(shù)占據(jù)計(jì)入自旋翻轉(zhuǎn)馳豫后的電流和電子數(shù)占據(jù)

eVP.Zhang,cond-mat/0201465工作簡(jiǎn)介第12頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日電流隨柵壓的變化工作簡(jiǎn)介第13頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日Kondo區(qū)的自旋輸運(yùn)

工作簡(jiǎn)介第14頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日量子點(diǎn)局域態(tài)密度ParallelAntiparallelSpin-down計(jì)入自旋馳豫后的局域態(tài)密度工作簡(jiǎn)介第15頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日線(xiàn)性電導(dǎo)AntiparallelParallel線(xiàn)性磁阻工作簡(jiǎn)介第16頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日結(jié)論在平均場(chǎng)近似下,磁阻對(duì)量子點(diǎn)中的自旋馳豫并不敏感當(dāng)鐵磁電極的磁化方向一致時(shí),Kondo共振和量子點(diǎn)能級(jí)的自旋劈裂可由鐵磁電極的磁化強(qiáng)度來(lái)控制，因此可用來(lái)產(chǎn)生自旋閥效應(yīng)。這種自旋閥效應(yīng)完全是由強(qiáng)關(guān)聯(lián)和磁耦合所造成。量子點(diǎn)中自旋馳豫的出現(xiàn)會(huì)造成Kondo共振峰的劈裂。工作簡(jiǎn)介第17頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

leadQD相互作用量子點(diǎn)中的磁激發(fā)自旋電流工作簡(jiǎn)介第18頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日引入含時(shí)幺正變換:變換后的哈密頓量為:withandforupanddownspins,respectively工作簡(jiǎn)介第19頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

Thespin-upandspin-downchemicalpotentialsintheleadarenowsplittedas:

因此自旋流的產(chǎn)生過(guò)程可圖示為:工作簡(jiǎn)介第20頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日無(wú)電子相互作用時(shí)的自旋流工作簡(jiǎn)介第21頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日平均場(chǎng)近似:

工作簡(jiǎn)介第22頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)局域態(tài)密度電流增強(qiáng)工作簡(jiǎn)介第23頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日結(jié)論量子點(diǎn)中的相干自旋共振會(huì)產(chǎn)生純粹的自旋流(電子流為零)。量子點(diǎn)中的進(jìn)動(dòng)磁場(chǎng)會(huì)使自旋分辨的Kondo共振峰辟裂。強(qiáng)關(guān)聯(lián)帶來(lái)的高階共隧穿過(guò)程會(huì)增強(qiáng)自旋流工作簡(jiǎn)介第24頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日Two-statesystemElectronspin

Two-stateHilbertspaceAnumbernoftwo-statesystemsQuantumdotimplementation(single-electronoccupationforeachdot)

………QuantumgateoperationviaexchangeinteractioncombinedwithlocalmagneticfieldLossetal.PRA57,120(1998)利用量子絕熱方法產(chǎn)生空間分離的自旋糾纏態(tài)工作簡(jiǎn)介第25頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日空間分離的自旋糾纏產(chǎn)生器

利用磁雜質(zhì)來(lái)誘導(dǎo)彈道電子發(fā)生自旋糾纏[Costaetal.PRL87,277901(2001)]利用單量子點(diǎn)產(chǎn)生自旋糾纏[Oliveretal.PRL88,037901(2002)]

耦合量子點(diǎn)中的自旋糾纏電流

[Saragaetal.PRL90,166803(2003)]

利用我們的量子絕熱方案產(chǎn)生自旋糾纏[Zhangetal.Phys.Rev.A69,042307(2004)

]工作簡(jiǎn)介第26頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日理論模型二粒子基矢Schrodingerequation

初態(tài)：

目標(biāo)態(tài)：

工作簡(jiǎn)介第27頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日自旋糾纏的共振激發(fā)傳輸Energyspectrum:=0.25meV=0.25meVTwo-stateapproximation:Resonancecondition:工作簡(jiǎn)介第28頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日Oscillationperiod:Suddenswichofthegatevoltage工作簡(jiǎn)介第29頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日自旋糾纏的絕熱傳輸GroundstateasinitialstateCCasinitialstateLandau-ZenertunnelingTunnelingrate:工作簡(jiǎn)介第30頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日和其它方案的比較Loss’sapproach:Ourapproach:GenerationtimefortargetstateLRistypicallypecosecondduetoonlyoneavoidedCrossingtoovercome!GenerationtimefortargetstateLRislongduetomultipleavoidedCrossingstoovercome!工作簡(jiǎn)介第31頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日結(jié)論Anewmethodforthecreationofspatially-separatedspinentanglementbymeansofadiabaticpassageofanexternalgatevoltageinatriplequantumdotsystemisproposed.Theevolutionofthesystemisrestrictedonaneffectivetwo-dimensionalHilbertspacewhichconsistsoftheinitialstateCCandthetargetstateLR.TheLandau-Zenertunnelingrateprovestobenegligible.Theapproachdoesnotinvolvetheparticipationofotherunneededmediatestatesduringsystemevolution.Sospin-entanglementtransfertimeismuchshorter.工作簡(jiǎn)介第32頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

P.Zhang,andQ.Niu,cond-mat/0406436P.Zhang,J.Shi,D.Xiao,Q.Niu,cond-mat/0503505M.I.Dyakonov,andV.I.Perel,JETP33,1053(1971)J.Hirsch,PRL83,1834(1999)S.Murakami,N.Nagaosa,andS.C.Zhang,Science301,1348(2003)SinovaetalPRL92,126603(2004)Y.K.KatoetalScience306,1910(2004)J.WunderlichetalPRL94,047204(2005)

電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)下的自旋霍爾效應(yīng)及自旋力驅(qū)動(dòng)下的電子霍爾效應(yīng)最近工作報(bào)告

參考文獻(xiàn)第33頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日概述研究動(dòng)因?qū)ふ倚碌姆闯；魻栞斶\(yùn)近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的自旋霍爾效應(yīng)以成為新的研究熱點(diǎn)如何觀測(cè)自旋霍爾效應(yīng)尋找新的無(wú)耗散電流自旋力驅(qū)動(dòng)下的電子霍爾效應(yīng)Kubo公式描述實(shí)際計(jì)算中的正規(guī)化手續(xù)自旋-軌道耦合系統(tǒng)中的半經(jīng)典波包輸運(yùn)

兩種霍爾效應(yīng)的Onsager對(duì)易關(guān)系自旋矩偶對(duì)自旋電流的修正必須計(jì)入才能建立Onsager關(guān)系由此新定義的自旋電流和先前的定義有本質(zhì)不同結(jié)論:我們的研究結(jié)果給實(shí)驗(yàn)探測(cè)自旋霍爾效應(yīng)提供了新的途徑最近工作報(bào)告

第34頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日半導(dǎo)體自旋電子學(xué)

金屬中的自旋電子學(xué)巨磁阻,自旋傳輸,...,采用鐵磁半導(dǎo)體

易與先進(jìn)的半導(dǎo)體器件集成

有可能克服自旋注入方案中由于阻抗不匹配而造成的自旋注入效率低等問(wèn)題.

可調(diào)性:

輸運(yùn)及磁光性質(zhì)可通過(guò)參雜，加?xùn)艍海獗闷值仁侄畏奖愕乜刂?/p>

自旋-軌道耦合

半導(dǎo)體中的強(qiáng)自旋-軌道耦合可以產(chǎn)生一些全新的效應(yīng)，如自旋的電致產(chǎn)生及自旋的電學(xué)操縱最近工作報(bào)告

第35頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日洛倫茲力使得帶電粒子作橫向偏轉(zhuǎn)

通常的霍爾效應(yīng)載流子符號(hào)及濃度；半導(dǎo)體空穴量子霍爾效應(yīng)電阻標(biāo)準(zhǔn)計(jì)分?jǐn)?shù)電荷載流子通常和量子霍爾效應(yīng)最近工作報(bào)告

第36頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日Extrinsicorintrinsic??自旋-軌道耦合力也會(huì)使帶自旋粒子作橫向偏轉(zhuǎn)最近工作報(bào)告

第37頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日自旋霍爾效應(yīng)

最近工作報(bào)告

第38頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日實(shí)驗(yàn)進(jìn)展最近工作報(bào)告

第39頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日自旋電流:Rashba模型自旋電流算符

描述二維電子氣的Rashba哈密頓量

每個(gè)載流子貢獻(xiàn)的自旋流

自旋霍爾電導(dǎo)最近工作報(bào)告

第40頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

能量k重空穴輕空穴Luttinger哈密頓量:

內(nèi)稟(intrinsic)自旋電流:自旋霍爾電導(dǎo):自旋電流:Luttinger四帶模型最近工作報(bào)告

第41頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日非均勻塞曼交換場(chǎng)自旋力:

與電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)輸運(yùn)相比較,會(huì)發(fā)現(xiàn)兩種驅(qū)動(dòng)力的形式對(duì)應(yīng)關(guān)系:自旋力最近工作報(bào)告

第42頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日自旋-電荷電導(dǎo)張量AgeneralrelationshipbetweenisimposedbyOnsagerrelation與自旋力對(duì)應(yīng)的位移算符在時(shí)間反演操作下具有奇宇稱(chēng),而電場(chǎng)力對(duì)應(yīng)的位移算符在時(shí)間反演操作下具有偶宇稱(chēng)最近工作報(bào)告

第43頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日Kubo線(xiàn)性響應(yīng)公式考總哈密頓量其中廣義力

和

分別施加于粒子的電荷及自旋自由度上

它們對(duì)應(yīng)的廣義速度算符為：

一階微擾論

給出線(xiàn)性響應(yīng)流:

其中

最近工作報(bào)告

第44頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日廣義電導(dǎo)(線(xiàn)性響應(yīng)系數(shù))矩陣為:UntisymmetricdissipationlesspartSymmetricdissipativepart顯然自旋力驅(qū)動(dòng)下的電子霍爾電導(dǎo)為：而電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)下的自旋霍爾電導(dǎo)為：因此滿(mǎn)足Onsager關(guān)系的自旋電流應(yīng)定義為：

最近工作報(bào)告

第45頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日而非通常定義：

新的自旋電流包括了自旋矩偶的貢獻(xiàn),因此可以期望,由此修正后的電導(dǎo)與以前的結(jié)果有本質(zhì)不同

!

對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)如何計(jì)算新定義的自旋電流

?最近工作報(bào)告

第46頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日正規(guī)化手續(xù)自旋力微擾用結(jié)果是，自旋流定義正規(guī)化為：

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，我們發(fā)現(xiàn)兩種霍爾電導(dǎo)的Kubo公式為：來(lái)代替最近工作報(bào)告

第47頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日幾種模型哈密頓量的自旋霍爾電導(dǎo)最近工作報(bào)告

第48頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日Bloch電子波包:

半經(jīng)典運(yùn)動(dòng)方程：

Berrycurvatures:半經(jīng)典方法最近工作報(bào)告

第49頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日對(duì)于自旋力微擾，系統(tǒng)的哈密頓量可分解為：其中布洛赫態(tài)由局域哈密頓量Hc給出半經(jīng)典近似下，我們發(fā)現(xiàn)輸運(yùn)電流由下式給出：這里

代表由于外部微擾伴生的相空間中態(tài)密度的變化

M為布洛赫電子的軌道磁矩:Thus:(i)Thechangeindensityofstatesshouldbetakenintoaccount(ii)Theorbitalmagnetizationshouldbesubtracted

最近工作報(bào)告

第50頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日對(duì)于Rashba模型，半經(jīng)典方法給出自旋力驅(qū)動(dòng)的電子霍爾電流如下:我們發(fā)現(xiàn)，采用半經(jīng)典方法求出的結(jié)果與前述Kubo公式求出的結(jié)果完全相同最近工作報(bào)告

第51頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日除了滿(mǎn)足Onsager關(guān)系,新定義的自旋電流還具有以下性質(zhì):

包含了自旋矩貢獻(xiàn)

對(duì)于通常的絕緣體，新定義的自旋流為零，因此更為合理

新定義的自旋流為守恒量，因此滿(mǎn)足自旋密度的連續(xù)性方程最近工作報(bào)告

第52頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日最近工作報(bào)告

第53頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日結(jié)論理論預(yù)言了一種新的自旋力驅(qū)動(dòng)的電子霍爾效應(yīng)為了建立起這種新的電子霍爾效應(yīng)與電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)的自旋霍爾效應(yīng)的Onsager關(guān)系，需要修改自旋電流的定義。為了求解新定義的自旋電流，發(fā)展了兩套相彰的方法，即Kubo公式和布洛赫載流子的半經(jīng)典運(yùn)動(dòng)方程。由此得到的自旋霍爾電導(dǎo)和以前的結(jié)果有本質(zhì)不同。修正后的自旋電流對(duì)應(yīng)于自旋密度的連續(xù)性方程，因此可以用來(lái)解釋有關(guān)的自旋積累實(shí)驗(yàn)。最近工作報(bào)告

第54頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日目前工作簡(jiǎn)介納米材料科學(xué)的第一原理電子結(jié)構(gòu)及總能計(jì)算半導(dǎo)體的極性生長(zhǎng)及表面重構(gòu)性質(zhì)半導(dǎo)體摻雜缺陷性質(zhì)------------主要工具------------

VASPWIEN2k第55頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日Ab-initio電子結(jié)構(gòu)計(jì)算-密度泛函理論目前工作簡(jiǎn)介Hohenberg-Kohn-Sham定理

Theground-stateenergyofamany-bodysystemisauniquefunctionaloftheparticledensity,Thefunctionalhasitsminimumrelativetovariationsoftheparticedensityattheequilibriumdensity,局域密度近似(LDA)下，總能范函可寫(xiě)為粒子密度的參數(shù)化可用某個(gè)無(wú)相互作用參照系統(tǒng)的單電子軌道基給出：無(wú)相互作用動(dòng)能:利用變分原理確定優(yōu)化單電子軌道:第56頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

對(duì)交換關(guān)聯(lián)能作近似:

這里是局域密度為的均勻電子氣的交換關(guān)聯(lián)能，對(duì)總能求變分，就得到熟知的Kohn-Sham方程:交換關(guān)聯(lián)勢(shì)利用平面波基矢求解Kohn-Sham方程的方法

直接作平面波展開(kāi)(VASP)

線(xiàn)性綴加平面波(WIEN2K)Linearizedmuffin-tinorbitals(LMTO)Projectoraugmentedwaves(PAW)(VASP)平面波展開(kāi)的缺點(diǎn)是截?cái)嗄芰扛撸諗克俣嚷?，故需引入贗勢(shì)目前工作簡(jiǎn)介第57頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日Z(yǔ)nO半導(dǎo)體材料中的本征缺陷性質(zhì)目前工作簡(jiǎn)介材料特點(diǎn)

Wurtzite結(jié)構(gòu)(a=3.28,c=5.2)，9GPa高壓下會(huì)有rocksalt結(jié)構(gòu)直接寬帶隙(3.4eV)，優(yōu)越的短波長(zhǎng)(紫外)光發(fā)射特性

與GaN相反，ZnO材料n型易摻雜，p型摻雜很困難，如何實(shí)現(xiàn)p型摻雜是目前的研究熱點(diǎn)和III-V族相比，離子性強(qiáng)，很強(qiáng)的層間偶極矩，導(dǎo)致生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)的各種新型納米結(jié)構(gòu)本征缺陷對(duì)材料性質(zhì)起重要作用摻入Mn,Co等稀土元素，可形成高溫稀磁半導(dǎo)體，在自旋電子學(xué)方面有重要應(yīng)用第58頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日Z(yǔ)nO中的本征缺陷

氧空位缺陷鋅空位缺陷氧的填隙缺陷鋅的填隙缺陷氧的反位缺陷鋅的反位缺陷目前工