超晶格室科研人员在国际上首次提出电子的非线性Rashba模型
2007-01-26
近日，由超晶格室常凯研究员研究组在国际上首次提出了电子的非线性Rashba模型，他们发现量子阱中导带电子的自旋劈裂并非随费米波矢的增加而线性增加，而是呈现出非线性的行为。这种非线性行为在窄带隙半导体量子阱中更为明显。他们给出了解析的表达式以及清晰的物理图像。这种非线性行为普遍存在于半导体纳米结构中，是一种普适的规律。论文发表后得到国际著名物理学家Rashba教授的肯定。
Rashba教授在来信中指出：“….对真实的物理来说，考虑非线性效应是重要的，你们的工作令人印象深刻(really impressing)。你们令人信服地(convincingly)指出在带隙的能量范围内已经非常关键(absolutely critical)，(效应真的给人以深刻印象(dramatic))。你们给出的简单的公式(4)也令人印象深刻，我认为人们肯定会使用它”。日本东北大学的Ohno教授(国际自旋电子学的领军人物之一)也认为我们的公式将会被广泛使用。
半导体自旋电子学是近年来迅猛发展的国际研究前沿的热点领域之一。它试图利用半导体中载流子的自旋自由度补充其电荷自由度来实现目前通用的电子器件的功能，并且期望达到减小功耗，提高集成度的目标。同时电子的自旋为我们提供了非常自然的量子比特和信息存储的实验平台。这样可能集信息存储和处理于同一芯片，克服目前计算机中信息交换速度的瓶颈。因此半导体自旋电子学得到了世界各国的广泛重视。
为了实现以上目标，人们需要克服许多物理和技术的难关，如自旋注入、自旋的相干操控等。在半导体材料中，初期人们通常采用磁性离子，外加磁场和光场来控制载流子的自旋特性。虽然在实验室中人们已经成功地制备出自旋电子学器件(如自旋晶体管等)，但是因为在实用化器件中人们不希望使用较强的磁场，因此自旋电子学器件距离室温的实用化器件的目标尚有一段距离。近两年来，人们发现可以利用半导体材料中由相对论效应引致的自旋轨道耦合来控制载流子自旋。在半导体材料中通常存在两种自旋轨道耦合，即Dresselhaus和Rashba自旋轨道耦合。在半导体量子阱中Rashba自旋轨道耦合强度可以通过外加电场或非对称的掺杂来实现和控制，同时较Dresselhaus自旋轨道耦合强度大的多。2003年人们提出利用Rashba自旋轨道耦合在半导体中产生自旋流，以克服外加磁场和磁性半导体居里温度的困难。在国际上引起了Rashba自旋轨道耦合效应的研究热潮。在以前关于Rashba自旋轨道耦合的研究中，人们都采用了Rashba在20世纪50年代提出的Rashba模型，其主要特征是量子阱中导带电子自旋劈裂随费米波矢的增加而线性增加，即线性的Rashba模型。它的形式简单，易于分析计算而被广泛运用。
上述研究成果证明了非线性模型为真实的半导体结构中自旋轨道耦合提供了重要的新的理论依据。上述成果发表在Phys. Rev. B 73, 113303(2006); 74, 193314(2006)。受到了国际同行的好评和重视，课题组将积极联合开展相关的退相干过程和自旋Hall效应的研究工作，力争在较短的时间内在物理方面获得更大的突破。
Dear Prof. Kai Chang:
thank you very much for sending me your interesting preprint. No doubt, linear model is only an approximation suitable for analytical treatment of spintronic problems and establishing basic regularities. For realistic physics, accounting for nonlinearities is important, and your results are really impressing. Despite the fact that nonlinearities should develop at the scale of forbidden gap, you show convincingly that actually they manifest themselves even before and are absolutely critical at the gap scale (where their effect is really dramatic). It is also impressing that your simple (4) works so well. I'm sure people will use it.
In this contest, it might be of some interest to you that deviations from the "ideal" model can manifest themselves in many different ways, e.g., see Eq. (8) in J. Supercond. paper (attached) and our recent preprint cond-mat/0609078.
Kindest regards,
Emmanuel Rashba
Rashba教授在来信中指出：“….对真实的物理来说，考虑非线性效应是重要的，你们的工作令人印象深刻(really impressing)。你们令人信服地(convincingly)指出在带隙的能量范围内已经非常关键(absolutely critical)，(效应真的给人以深刻印象(dramatic))。你们给出的简单的公式(4)也令人印象深刻，我认为人们肯定会使用它”。日本东北大学的Ohno教授(国际自旋电子学的领军人物之一)也认为我们的公式将会被广泛使用。
半导体自旋电子学是近年来迅猛发展的国际研究前沿的热点领域之一。它试图利用半导体中载流子的自旋自由度补充其电荷自由度来实现目前通用的电子器件的功能，并且期望达到减小功耗，提高集成度的目标。同时电子的自旋为我们提供了非常自然的量子比特和信息存储的实验平台。这样可能集信息存储和处理于同一芯片，克服目前计算机中信息交换速度的瓶颈。因此半导体自旋电子学得到了世界各国的广泛重视。
为了实现以上目标，人们需要克服许多物理和技术的难关，如自旋注入、自旋的相干操控等。在半导体材料中，初期人们通常采用磁性离子，外加磁场和光场来控制载流子的自旋特性。虽然在实验室中人们已经成功地制备出自旋电子学器件(如自旋晶体管等)，但是因为在实用化器件中人们不希望使用较强的磁场，因此自旋电子学器件距离室温的实用化器件的目标尚有一段距离。近两年来，人们发现可以利用半导体材料中由相对论效应引致的自旋轨道耦合来控制载流子自旋。在半导体材料中通常存在两种自旋轨道耦合，即Dresselhaus和Rashba自旋轨道耦合。在半导体量子阱中Rashba自旋轨道耦合强度可以通过外加电场或非对称的掺杂来实现和控制，同时较Dresselhaus自旋轨道耦合强度大的多。2003年人们提出利用Rashba自旋轨道耦合在半导体中产生自旋流，以克服外加磁场和磁性半导体居里温度的困难。在国际上引起了Rashba自旋轨道耦合效应的研究热潮。在以前关于Rashba自旋轨道耦合的研究中，人们都采用了Rashba在20世纪50年代提出的Rashba模型，其主要特征是量子阱中导带电子自旋劈裂随费米波矢的增加而线性增加，即线性的Rashba模型。它的形式简单，易于分析计算而被广泛运用。
上述研究成果证明了非线性模型为真实的半导体结构中自旋轨道耦合提供了重要的新的理论依据。上述成果发表在Phys. Rev. B 73, 113303(2006); 74, 193314(2006)。受到了国际同行的好评和重视，课题组将积极联合开展相关的退相干过程和自旋Hall效应的研究工作，力争在较短的时间内在物理方面获得更大的突破。
Dear Prof. Kai Chang:
thank you very much for sending me your interesting preprint. No doubt, linear model is only an approximation suitable for analytical treatment of spintronic problems and establishing basic regularities. For realistic physics, accounting for nonlinearities is important, and your results are really impressing. Despite the fact that nonlinearities should develop at the scale of forbidden gap, you show convincingly that actually they manifest themselves even before and are absolutely critical at the gap scale (where their effect is really dramatic). It is also impressing that your simple (4) works so well. I'm sure people will use it.
In this contest, it might be of some interest to you that deviations from the "ideal" model can manifest themselves in many different ways, e.g., see Eq. (8) in J. Supercond. paper (attached) and our recent preprint cond-mat/0609078.
Kindest regards,
Emmanuel Rashba
