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1、Ch 4 自旋电子学本讲（2学时）内容重点：（1）基本问题：自旋的注入、输运和检测（2）铁磁/半导体结注入方式的困难（3）自旋Hall效应(新)(物理所,理论研究者)Spintronics的含义？电子：电荷和自旋（电子自旋为1/2）自旋极化：自旋向上与向下电子数不等。调控自旋极化的电流：注入、放大、检测。回忆：半导体MOS中 电流的“源”、“漏”和控制“门电极”下图：设想的一种自旋晶体管（1 1）基本问题）基本问题1,自旋注入自旋注入 “使传导电子自旋极化使传导电子自旋极化”即产生即产生非平衡的自旋电子（占有数）非平衡的自旋电子（占有数）n n 方法之一，光学技术。光取向或光抽运。方法之一，光
2、学技术。光取向或光抽运。方法之二，电学自旋注入。（便于器件的应用）方法之二，电学自旋注入。（便于器件的应用）基本问题基本问题2,自旋传输自旋传输 自旋电流从自旋电流从FM电极注入半导体，电极注入半导体，会在界面和半导体内产生会在界面和半导体内产生“累积累积”自旋弛豫机制自旋弛豫机制 会使得自旋的非平衡转向平衡会使得自旋的非平衡转向平衡。这个特征时间大约是几十纳秒，足够长！这个特征时间大约是几十纳秒，足够长！3,自旋检测自旋检测 自旋状态的改变。自旋状态的改变。三种自旋注入实验三种自旋注入实验 工作方式工作方式实验器件实验器件优点优点困难困难1电注电检 FM/Semic 结电方案效率低2电注光检
3、 磁性半导体多层 电方案低温3光生光检 GaAs/ZnSe实验室易实现不易应用1，电注入，电注入电检测电检测 铁磁/半导体结 早期：效率太低，早期：效率太低，P.R.Hammar et al，PRL 83，203（1999）S.Gardelis,et al,PRB 60,7764(1999)今年最新结果自旋注入的一条新路？自旋注入的一条新路？庞磁电阻碳纳米管（CMR）CNT）Nature 445（Jan 2007）410413 LSMO 自旋注入的一条新路？高效率！低温？2，电注入，电注入光检测（之一）光检测（之一）实验：实验：磁性半导体电注入 和 偏振光检测产生：产生：P P型型(Ga,Mn
4、)As(Ga,Mn)As 的自旋极化空穴 和N N型型GaAsGaAs的非极化电子 进入InGaAsInGaAs量子阱复合，产生极化的场致发光。产生极化的场致发光。（T=6K;H=1,000 Oe）检测检测：偏振光检测偏振光检测2，电注入，电注入光检测光检测（之二）（之二）场致发光强度（左）极化度（右）3，光产生，光产生光检测（之一）光检测（之一）强激光强激光Pump在半导体中，在半导体中，产生了产生了 Spin-polarized state,此时的半导体等效于此时的半导体等效于”磁体磁体”.可以用可以用Farady-Kerr 效应效应做光检测做光检测Probe.3，光产生，光产生光检测光检
5、测（之二）（之二）（2 2）铁磁）铁磁/半导体结注入方式的困难半导体结注入方式的困难电注入的问题在那里？电注入的问题在那里？“从铁磁金属直接发射电子到半导体中从铁磁金属直接发射电子到半导体中”。“这种自旋注入方式，面临一个基本障碍。这种自旋注入方式，面临一个基本障碍。那就是这两种材料之间的电导失配。那就是这两种材料之间的电导失配。”Schmidt的计算模型的计算模型（1）结构：结构：FM金属（金属（1）/半导体（半导体（2）/FM 金属（金属（3）第一界面，为 X 0，第二界面，为 X X0 两流体模型！两流体模型！Schmidt的计算模型（的计算模型（2）简化：简化：1维问题维问题 （垂直界
6、面方向）任务：任务：首先，计算各个区域的首先，计算各个区域的“化学势化学势”和和“自旋极化电流自旋极化电流”其次，计算半导体区域电流的其次，计算半导体区域电流的 “自旋注入的效率自旋注入的效率”问题：电流、化学势、边条件、电导率失配？问题：电流、化学势、边条件、电导率失配？SchmidtSchmidt的计算模型（的计算模型（3 3）自旋极化率定义其中，分别为 FM，SC，FM对于注入区（铁磁金属）的自旋极化电流，计算，接收区（半导体）自旋极化的电流注意：注意：电流密度 是材料、自旋和坐标的函数。Schmidt的计算模型（的计算模型（4）需要，计算需要，计算“自旋相关的自旋相关的”电流密度电流密
7、度 。自旋极化电流服从OhmOhm定律定律其中，是两种自旋的电导率，*注意，电流密度与化学势的斜率成比例（！）Schmidt的计算模型（的计算模型（5）为此，先要计算为此，先要计算“自旋相关的自旋相关的”化学势化学势 。化学势服从化学势服从扩散方程扩散方程 Schmidt的计算模型（的计算模型（6）求解扩散方程求解扩散方程 对于铁磁材料区，铁磁材料区，化学势的形式解是：这里，i1，3。X1 0；X3 X0。（）分别对应 1，3。Schmidt的计算模型（的计算模型（7）求解扩散方程（续）求解扩散方程（续）对于半导体材料区，化学势的形式解是：形式解的意义：电流密度与位置（X 坐标）无关。代入扩散
8、方程，利用边界条件求解Schmidt的计算模型（的计算模型（8）代入扩散方程和Ohm定律，利用边界条件求解利用边界条件求解：电流连续电流连续：电荷守恒电荷守恒：化学势相等 化学势相等Schmidt的计算模型（的计算模型（9）得到了 和 的方程，如下半导体区域的半导体区域的 电流自旋极化度电流自旋极化度Schmidt的计算模型（的计算模型（10）计算结果计算结果半导体区的电流密度半导体区的电流密度“自旋极化率自旋极化率”Schmidt的计算模型（的计算模型（11）数值结果分析（材料因子分子小分母大）数值结果分析（材料因子分子小分母大）FM自旋极化 FM自旋扩散长度半导体厚度二者之比二者之比60
9、10纳米1000纳米10280100纳米10纳米？10SC电导 FM电导 二者之比二者之比 材料因子自旋极化率自旋极化率1103103105210511031031021102理解理解Schmidt“障碍障碍”铁磁金属的电导是铁磁金属的电导是 半导体电导的半导体电导的10001000倍！倍！铁磁金属中载流子浓度 约 半导体中少数载流子浓度仅仅 尽管，铁磁金属中迁移率远小于半导体 再一次表现出矛盾：铁磁有序需要高浓度电子 电子输运需要低浓度电子 铁磁金属半导体金属比半导体1载流子浓度高高6 67 7个量级个量级2迁移率10（？）低低2 23 3个量级个量级3电导 10高高3 34 4个量级个量级
10、4平均自由程20nm2002000纳米低1 个量级5自旋扩散长度Ls100纳米1微米低1个量级（3 3）自旋）自旋HallHall效应效应 （Science 301，1348（2003）；PhysRevLett92,126603(2004)）理论分析指出：理论分析指出：很多半导体的载流子都具有自旋轨道耦合作用。如果 在该半导体上施加纵向电场，将会产生在该半导体上施加纵向电场，将会产生横向自旋流横向自旋流。（即自旋向上和向下的电子分别沿横向朝相反的方向流动）。这就会在横向积累不同取向的自旋，称为自旋霍尔效应。自旋注入的可能途径自旋Hall效应诱导出的自旋流可以用作自旋注入。因为自旋流是从半导体中
11、产生的，所以不存在电导率不匹配的问题。用这种方法得到的自旋输运可能是一种无耗散的过程。需要经实验证实。自旋轨道耦合和电场的作用以高迁移率二维电子系统（2DES）为例Rashba（1984）的Hamiltonian为其中，是Rashba耦合常数，是Pauli矩阵，是电子有效质量，是垂直于2DES平面的单位矢量，是动量。有效磁场另一种写法是其中，相当于一个作用在自旋上的有效磁场。比较普通Hall效应：电荷在磁场中受力 物理图像自旋（红色）垂直于 动量（绿色），在能量上有利在能量上有利。看图（a）自旋取向彼此相反。在x方向加电场（看图b）电子在x 反方向加速，在动量空间产生漂移 动量漂移导致Rash
12、ba Hamiltonian的变化这等价于在自旋上施加一个变化的有效力场。自旋的运动的Bloch方程（比较铁磁共振现象）其中，是自旋的方向，是进动时受到的阻尼力。（注意：矢量和力矩的作用。）自旋流可以证明，动量空间漂移的结果是，在自旋上受到一个“顺时针”作用（力矩）。于是，一半自旋指向 方向；另一半自旋指向 方向。这就是自旋流。（看图b）实验证据 Kato等2004GaAs 和InGaAs 薄膜。激光束偏振面KR旋转角度，取决于 （1）自旋极化程度 （2）自旋方向与偏振方向夹角。移动入射激光束，在样品的两个边缘处，有KR存在；而且方向相反。KR与样品位置、电场 KR换算成自旋密度。在电流方向均匀。（样品长方向）结束