1、凝聚态物理专业优秀论文 受限半导体纳米系统中自旋动力学以及自旋调控的理论研究关键词：受限半导体纳米系统 自旋动力学 自旋调控 自旋弛豫/去相位 自旋扩散/输运 量子点 量子线 量子阱摘要：在实现自旋电子学器件中有两个非常重要的问题，即如何延长自旋去相干时间和扩散长度，以及如何有效的控制自旋；因此在物理上理解自旋弛豫/去相位和自旋扩散/输运过程是非常必要的。本论文主要内容集中在受限半导体纳米结构如量子点、量子线以及量子阱系统中的自旋弛豫/去相位过程以及量子阱系统的自旋扩散/输运过程的研究，同时研究了 THz 场对两维电子气中自旋的调控作用，以及外禀自旋霍尔效应的动力学过程。 本文首先简单的回顾自
2、旋电子学的发展，主要集中在半导体系统中自旋极化的产生、探测以及在半导体内部的弛豫和输运过程。然后回顾了半导体系统中对自旋弛豫过程有着重要影响的自旋轨道耦合的物理来源，给出如何从 88 Kane 模型中得到Dresselhaus、Rashba 以及 Elliott-Yafet (EY)自旋轨道耦合。然后给出电子系统在三维系统以及约束系统中哈密顿量的具体表示形式，其中包括电子-杂质散射、电子-声子散射以及电子-电子散射。接着回顾了导致自旋弛豫的各种机制以及理论上的处理方法。对于简单的两能级系统，可以使用费米黄金规则和运动方程计算自旋弛豫/去相位时间。相比较而言，运动方程方法可以直接给出自旋极化的时
3、间演化过程，可以扩展到包括了很多能级的系统中的自旋弛豫过程。而对于自旋系综，导致自旋弛豫/去相位机制主要包括 Elliott-Yafet 机制、Dyakonov-Pelel(DP)机制、Bit-Aronov-Pikus (BAP)机制、和原子核之间的超精细相互作用导致的自旋弛豫以及非均匀扩展引起的自旋弛豫/去相位机制。然后回顾了使用动力学自旋 Bloch 方程在自旋弛豫/扩散方面的研究。 在对单体问题的研究中，先考虑的是量子点系统中的自旋弛豫过程。用完全对角化的方法求出包括了自旋轨道耦合在内的量子点系统的波函数后，利用费米黄金规则求出在不同的能量本征态之间由电子-声学声子导致的弛豫时间。发现在
4、GaAs 量子点中电子-压电声子导致的自旋弛豫占主导地位。结果是指出以往所采用微扰方法仅仅求解 Zeeman 能级之间的自旋弛豫时间是不充分的：没有考虑的自旋轨道耦合引起的能量二阶修正、高能级对低能级的波函数的修正，对自旋弛豫过程都有着非常重要的贡献。同时详细研究了自旋弛豫时间对磁场、量子点半径、量子阱的阱宽以及温度的依赖关系。接着我们研究了强 THz 场对两维电子气的调控作用。本研究用 Floquet 定理严格求解包括自旋轨道耦合的薛定谔方程，利用求出的波函数得到态密度以及自旋极化密度。发现 THz 场对态密度和自旋极化密度有非常大的影响，并且可以在垂直于 THz 电场方向上诱导出一个 TH
5、z 的磁矩。指出这个效应可以用来把 THz 的电信号转化成 THz 的磁信号。在对多体问题的研究中，通过求解动力学自旋 Bloch 方程，研究了量子线和量子阱系统中的自旋弛豫/去相位与自旋扩散/输运问题。首先研究了 InAs 量子线中由可以通过电场调节的 Rashba 自旋轨道耦合所导致的自旋弛豫过程。发现在外加磁场方向垂直于量子线生长方向时，沿着量子线方向的自旋极化的自旋弛豫时间可以由界面电场调控；而当磁场沿着量子线方向，垂直于量子线生长方向的自旋极化的弛豫时间与界面电场方向无关。同时，在量子线系统中的非均匀扩展可以用自旋进动频率的均方差很好的描述。接着在等强度的Dresselhaus 和
6、Rashba 自旋轨道耦合的 GaAs 量子阱中研究了不同的统计平衡态-基于 Helix 态的 Helix 统计与基于 Collinear 态的 Collinear 统计-对自旋弛豫的影响。本研究发现这两种统计下的自旋弛豫时间几乎没有差别，并且自旋极化方向表现出很强的各向异性。在不考虑 Dresselhaus 自旋轨道耦合三次项的贡献时，沿着(110)方向的自旋弛豫时间是无穷长而其他方向的却非常的短；即使考虑了三次项的贡献，它也要远比其他两个方向的长。仔细讨论了沿着(110)方向的自旋弛豫时间随着外界条件的变化。 在输运问题中，本研究采用一套新的数值计算方法自洽求解空间不均匀的动力学自旋 Bl
7、och 方程及泊松方程，在计入所有散射特别是电子-电子散射以后重新研究在 n 型(001)-GaAs量子阱的自旋扩散问题。发现即使没有外磁场时，自旋极化也会在扩散方向上有振荡，并且振荡周期与外加电场无关。在散射足够强的时候-内禀的散射如电子-电子散射就已经满足了这个条件-不同动量的电子自旋具有相同的振荡频率以及相位，导致横向的自旋注入长度和系综的横向注入长度相等。进一步研究了自旋扩散/输运长度的散射、温度、量子阱宽、磁场以及电场的依赖关系。接着研究了强度相近的 Dresselhaus 和 Rashba 自旋轨道耦合共同作用下各向异性对自旋输运的影响。发现此时自旋扩散长度不仅仅对自旋极化方向，而
8、且对自旋注入方向都表现出很强的各向异性。在不考虑 Dresselhaus 自旋轨道耦合的三次项的贡献并且线性的 Dresselhaus 和 Rashba 自旋轨道耦合强度相同时，如果自旋极化方向沿着(110)而注入方向任意，或者注入方向沿着(110)而自旋极化方向任意，自旋扩散长度都是无穷长。在考虑了三次方项的贡献以后，这些自旋扩散长度虽然变为有限值并且随着温度和电子浓度减小，但是各向异性的性质仍然被保留下来。另外，在改变 Rashba 强度时，由于 Dresselhaus 自旋轨道耦合三次方项的贡献，自旋扩散长度的最大值出现在 Rashba 强度略小于Dresslhaus 强度时，而不是文献
9、中所认为的出现在两者相等处。 最后研究了 n 型(001)-GaAs 对称量子阱中外禀自旋霍尔效应的动力学过程。得到稳态的外禀自旋霍尔电导在仅仅考虑线性项的自旋轨道耦合时为零，而在考虑了三次方项的自旋轨道耦合后为一个非常小的值。这是由 Dresselhaus/Rashba 自旋轨道耦合引起的自旋进动引起的。同时，自旋进动和偏转散射的共同作用可以在半导体的体内产生极化方向在平面内的自旋极化，并且这种自旋极化和流致极化具有完全不一样的性质，包括具有不同的自旋极化方向，量子阱的阱宽和杂质浓度的依赖关系。正文内容在实现自旋电子学器件中有两个非常重要的问题，即如何延长自旋去相干时间和扩散长度，以及如何有
10、效的控制自旋；因此在物理上理解自旋弛豫/去相位和自旋扩散/输运过程是非常必要的。本论文主要内容集中在受限半导体纳米结构如量子点、量子线以及量子阱系统中的自旋弛豫/去相位过程以及量子阱系统的自旋扩散/输运过程的研究，同时研究了 THz 场对两维电子气中自旋的调控作用，以及外禀自旋霍尔效应的动力学过程。 本文首先简单的回顾自旋电子学的发展，主要集中在半导体系统中自旋极化的产生、探测以及在半导体内部的弛豫和输运过程。然后回顾了半导体系统中对自旋弛豫过程有着重要影响的自旋轨道耦合的物理来源，给出如何从 88 Kane 模型中得到Dresselhaus、Rashba 以及 Elliott-Yafet (
11、EY)自旋轨道耦合。然后给出电子系统在三维系统以及约束系统中哈密顿量的具体表示形式，其中包括电子-杂质散射、电子-声子散射以及电子-电子散射。接着回顾了导致自旋弛豫的各种机制以及理论上的处理方法。对于简单的两能级系统，可以使用费米黄金规则和运动方程计算自旋弛豫/去相位时间。相比较而言，运动方程方法可以直接给出自旋极化的时间演化过程，可以扩展到包括了很多能级的系统中的自旋弛豫过程。而对于自旋系综，导致自旋弛豫/去相位机制主要包括 Elliott-Yafet 机制、Dyakonov-Pelel(DP)机制、Bit-Aronov-Pikus (BAP)机制、和原子核之间的超精细相互作用导致的自旋弛豫
12、以及非均匀扩展引起的自旋弛豫/去相位机制。然后回顾了使用动力学自旋 Bloch 方程在自旋弛豫/扩散方面的研究。 在对单体问题的研究中，先考虑的是量子点系统中的自旋弛豫过程。用完全对角化的方法求出包括了自旋轨道耦合在内的量子点系统的波函数后，利用费米黄金规则求出在不同的能量本征态之间由电子-声学声子导致的弛豫时间。发现在GaAs 量子点中电子-压电声子导致的自旋弛豫占主导地位。结果是指出以往所采用微扰方法仅仅求解 Zeeman 能级之间的自旋弛豫时间是不充分的：没有考虑的自旋轨道耦合引起的能量二阶修正、高能级对低能级的波函数的修正，对自旋弛豫过程都有着非常重要的贡献。同时详细研究了自旋弛豫时间
13、对磁场、量子点半径、量子阱的阱宽以及温度的依赖关系。接着我们研究了强 THz 场对两维电子气的调控作用。本研究用 Floquet 定理严格求解包括自旋轨道耦合的薛定谔方程，利用求出的波函数得到态密度以及自旋极化密度。发现 THz 场对态密度和自旋极化密度有非常大的影响，并且可以在垂直于 THz 电场方向上诱导出一个 THz 的磁矩。指出这个效应可以用来把 THz 的电信号转化成 THz 的磁信号。在对多体问题的研究中，通过求解动力学自旋 Bloch 方程，研究了量子线和量子阱系统中的自旋弛豫/去相位与自旋扩散/输运问题。首先研究了 InAs 量子线中由可以通过电场调节的 Rashba 自旋轨道
14、耦合所导致的自旋弛豫过程。发现在外加磁场方向垂直于量子线生长方向时，沿着量子线方向的自旋极化的自旋弛豫时间可以由界面电场调控；而当磁场沿着量子线方向，垂直于量子线生长方向的自旋极化的弛豫时间与界面电场方向无关。同时，在量子线系统中的非均匀扩展可以用自旋进动频率的均方差很好的描述。接着在等强度的Dresselhaus 和 Rashba 自旋轨道耦合的 GaAs 量子阱中研究了不同的统计平衡态-基于 Helix 态的 Helix 统计与基于 Collinear 态的 Collinear 统计-对自旋弛豫的影响。本研究发现这两种统计下的自旋弛豫时间几乎没有差别，并且自旋极化方向表现出很强的各向异性。
15、在不考虑 Dresselhaus 自旋轨道耦合三次项的贡献时，沿着(110)方向的自旋弛豫时间是无穷长而其他方向的却非常的短；即使考虑了三次项的贡献，它也要远比其他两个方向的长。仔细讨论了沿着(110)方向的自旋弛豫时间随着外界条件的变化。 在输运问题中，本研究采用一套新的数值计算方法自洽求解空间不均匀的动力学自旋 Bloch 方程及泊松方程，在计入所有散射特别是电子-电子散射以后重新研究在 n 型(001)-GaAs量子阱的自旋扩散问题。发现即使没有外磁场时，自旋极化也会在扩散方向上有振荡，并且振荡周期与外加电场无关。在散射足够强的时候-内禀的散射如电子-电子散射就已经满足了这个条件-不同动
16、量的电子自旋具有相同的振荡频率以及相位，导致横向的自旋注入长度和系综的横向注入长度相等。进一步研究了自旋扩散/输运长度的散射、温度、量子阱宽、磁场以及电场的依赖关系。接着研究了强度相近的 Dresselhaus 和 Rashba 自旋轨道耦合共同作用下各向异性对自旋输运的影响。发现此时自旋扩散长度不仅仅对自旋极化方向，而且对自旋注入方向都表现出很强的各向异性。在不考虑 Dresselhaus 自旋轨道耦合的三次项的贡献并且线性的 Dresselhaus 和 Rashba 自旋轨道耦合强度相同时，如果自旋极化方向沿着(110)而注入方向任意，或者注入方向沿着(110)而自旋极化方向任意，自旋扩散
17、长度都是无穷长。在考虑了三次方项的贡献以后，这些自旋扩散长度虽然变为有限值并且随着温度和电子浓度减小，但是各向异性的性质仍然被保留下来。另外，在改变 Rashba 强度时，由于 Dresselhaus 自旋轨道耦合三次方项的贡献，自旋扩散长度的最大值出现在 Rashba 强度略小于Dresslhaus 强度时，而不是文献中所认为的出现在两者相等处。 最后研究了 n 型(001)-GaAs 对称量子阱中外禀自旋霍尔效应的动力学过程。得到稳态的外禀自旋霍尔电导在仅仅考虑线性项的自旋轨道耦合时为零，而在考虑了三次方项的自旋轨道耦合后为一个非常小的值。这是由 Dresselhaus/Rashba 自旋
18、轨道耦合引起的自旋进动引起的。同时，自旋进动和偏转散射的共同作用可以在半导体的体内产生极化方向在平面内的自旋极化，并且这种自旋极化和流致极化具有完全不一样的性质，包括具有不同的自旋极化方向，量子阱的阱宽和杂质浓度的依赖关系。在实现自旋电子学器件中有两个非常重要的问题，即如何延长自旋去相干时间和扩散长度，以及如何有效的控制自旋；因此在物理上理解自旋弛豫/去相位和自旋扩散/输运过程是非常必要的。本论文主要内容集中在受限半导体纳米结构如量子点、量子线以及量子阱系统中的自旋弛豫/去相位过程以及量子阱系统的自旋扩散/输运过程的研究，同时研究了 THz 场对两维电子气中自旋的调控作用，以及外禀自旋霍尔效应
19、的动力学过程。 本文首先简单的回顾自旋电子学的发展，主要集中在半导体系统中自旋极化的产生、探测以及在半导体内部的弛豫和输运过程。然后回顾了半导体系统中对自旋弛豫过程有着重要影响的自旋轨道耦合的物理来源，给出如何从 88 Kane 模型中得到 Dresselhaus、Rashba以及 Elliott-Yafet (EY)自旋轨道耦合。然后给出电子系统在三维系统以及约束系统中哈密顿量的具体表示形式，其中包括电子-杂质散射、电子-声子散射以及电子-电子散射。接着回顾了导致自旋弛豫的各种机制以及理论上的处理方法。对于简单的两能级系统，可以使用费米黄金规则和运动方程计算自旋弛豫/去相位时间。相比较而言，
20、运动方程方法可以直接给出自旋极化的时间演化过程，可以扩展到包括了很多能级的系统中的自旋弛豫过程。而对于自旋系综，导致自旋弛豫/去相位机制主要包括 Elliott-Yafet 机制、Dyakonov-Pelel(DP)机制、Bit-Aronov-Pikus (BAP)机制、和原子核之间的超精细相互作用导致的自旋弛豫以及非均匀扩展引起的自旋弛豫/去相位机制。然后回顾了使用动力学自旋 Bloch 方程在自旋弛豫/扩散方面的研究。 在对单体问题的研究中，先考虑的是量子点系统中的自旋弛豫过程。用完全对角化的方法求出包括了自旋轨道耦合在内的量子点系统的波函数后，利用费米黄金规则求出在不同的能量本征态之间由
21、电子-声学声子导致的弛豫时间。发现在 GaAs 量子点中电子-压电声子导致的自旋弛豫占主导地位。结果是指出以往所采用微扰方法仅仅求解Zeeman 能级之间的自旋弛豫时间是不充分的：没有考虑的自旋轨道耦合引起的能量二阶修正、高能级对低能级的波函数的修正，对自旋弛豫过程都有着非常重要的贡献。同时详细研究了自旋弛豫时间对磁场、量子点半径、量子阱的阱宽以及温度的依赖关系。接着我们研究了强 THz 场对两维电子气的调控作用。本研究用 Floquet 定理严格求解包括自旋轨道耦合的薛定谔方程，利用求出的波函数得到态密度以及自旋极化密度。发现 THz 场对态密度和自旋极化密度有非常大的影响，并且可以在垂直于
22、 THz 电场方向上诱导出一个 THz 的磁矩。指出这个效应可以用来把 THz 的电信号转化成 THz 的磁信号。在对多体问题的研究中，通过求解动力学自旋 Bloch 方程，研究了量子线和量子阱系统中的自旋弛豫/去相位与自旋扩散/输运问题。首先研究了 InAs 量子线中由可以通过电场调节的 Rashba 自旋轨道耦合所导致的自旋弛豫过程。发现在外加磁场方向垂直于量子线生长方向时，沿着量子线方向的自旋极化的自旋弛豫时间可以由界面电场调控；而当磁场沿着量子线方向，垂直于量子线生长方向的自旋极化的弛豫时间与界面电场方向无关。同时，在量子线系统中的非均匀扩展可以用自旋进动频率的均方差很好的描述。接着在
23、等强度的 Dresselhaus 和 Rashba 自旋轨道耦合的 GaAs 量子阱中研究了不同的统计平衡态-基于 Helix 态的 Helix 统计与基于 Collinear 态的 Collinear 统计-对自旋弛豫的影响。本研究发现这两种统计下的自旋弛豫时间几乎没有差别，并且自旋极化方向表现出很强的各向异性。在不考虑 Dresselhaus 自旋轨道耦合三次项的贡献时，沿着(110)方向的自旋弛豫时间是无穷长而其他方向的却非常的短；即使考虑了三次项的贡献，它也要远比其他两个方向的长。仔细讨论了沿着(110)方向的自旋弛豫时间随着外界条件的变化。 在输运问题中，本研究采用一套新的数值计算方
24、法自洽求解空间不均匀的动力学自旋 Bloch 方程及泊松方程，在计入所有散射特别是电子-电子散射以后重新研究在 n 型(001)-GaAs 量子阱的自旋扩散问题。发现即使没有外磁场时，自旋极化也会在扩散方向上有振荡，并且振荡周期与外加电场无关。在散射足够强的时候-内禀的散射如电子-电子散射就已经满足了这个条件-不同动量的电子自旋具有相同的振荡频率以及相位，导致横向的自旋注入长度和系综的横向注入长度相等。进一步研究了自旋扩散/输运长度的散射、温度、量子阱宽、磁场以及电场的依赖关系。接着研究了强度相近的 Dresselhaus 和Rashba 自旋轨道耦合共同作用下各向异性对自旋输运的影响。发现此
25、时自旋扩散长度不仅仅对自旋极化方向，而且对自旋注入方向都表现出很强的各向异性。在不考虑 Dresselhaus 自旋轨道耦合的三次项的贡献并且线性的 Dresselhaus和 Rashba 自旋轨道耦合强度相同时，如果自旋极化方向沿着(110)而注入方向任意，或者注入方向沿着(110)而自旋极化方向任意，自旋扩散长度都是无穷长。在考虑了三次方项的贡献以后，这些自旋扩散长度虽然变为有限值并且随着温度和电子浓度减小，但是各向异性的性质仍然被保留下来。另外，在改变Rashba 强度时，由于 Dresselhaus 自旋轨道耦合三次方项的贡献，自旋扩散长度的最大值出现在 Rashba 强度略小于 Dr
26、esslhaus 强度时，而不是文献中所认为的出现在两者相等处。 最后研究了 n 型(001)-GaAs 对称量子阱中外禀自旋霍尔效应的动力学过程。得到稳态的外禀自旋霍尔电导在仅仅考虑线性项的自旋轨道耦合时为零，而在考虑了三次方项的自旋轨道耦合后为一个非常小的值。这是由 Dresselhaus/Rashba 自旋轨道耦合引起的自旋进动引起的。同时，自旋进动和偏转散射的共同作用可以在半导体的体内产生极化方向在平面内的自旋极化，并且这种自旋极化和流致极化具有完全不一样的性质，包括具有不同的自旋极化方向，量子阱的阱宽和杂质浓度的依赖关系。在实现自旋电子学器件中有两个非常重要的问题，即如何延长自旋去相
27、干时间和扩散长度，以及如何有效的控制自旋；因此在物理上理解自旋弛豫/去相位和自旋扩散/输运过程是非常必要的。本论文主要内容集中在受限半导体纳米结构如量子点、量子线以及量子阱系统中的自旋弛豫/去相位过程以及量子阱系统的自旋扩散/输运过程的研究，同时研究了 THz 场对两维电子气中自旋的调控作用，以及外禀自旋霍尔效应的动力学过程。 本文首先简单的回顾自旋电子学的发展，主要集中在半导体系统中自旋极化的产生、探测以及在半导体内部的弛豫和输运过程。然后回顾了半导体系统中对自旋弛豫过程有着重要影响的自旋轨道耦合的物理来源，给出如何从 88 Kane 模型中得到 Dresselhaus、Rashba以及 E
28、lliott-Yafet (EY)自旋轨道耦合。然后给出电子系统在三维系统以及约束系统中哈密顿量的具体表示形式，其中包括电子-杂质散射、电子-声子散射以及电子-电子散射。接着回顾了导致自旋弛豫的各种机制以及理论上的处理方法。对于简单的两能级系统，可以使用费米黄金规则和运动方程计算自旋弛豫/去相位时间。相比较而言，运动方程方法可以直接给出自旋极化的时间演化过程，可以扩展到包括了很多能级的系统中的自旋弛豫过程。而对于自旋系综，导致自旋弛豫/去相位机制主要包括 Elliott-Yafet 机制、Dyakonov-Pelel(DP)机制、Bit-Aronov-Pikus (BAP)机制、和原子核之间的
29、超精细相互作用导致的自旋弛豫以及非均匀扩展引起的自旋弛豫/去相位机制。然后回顾了使用动力学自旋 Bloch 方程在自旋弛豫/扩散方面的研究。 在对单体问题的研究中，先考虑的是量子点系统中的自旋弛豫过程。用完全对角化的方法求出包括了自旋轨道耦合在内的量子点系统的波函数后，利用费米黄金规则求出在不同的能量本征态之间由电子-声学声子导致的弛豫时间。发现在 GaAs 量子点中电子-压电声子导致的自旋弛豫占主导地位。结果是指出以往所采用微扰方法仅仅求解Zeeman 能级之间的自旋弛豫时间是不充分的：没有考虑的自旋轨道耦合引起的能量二阶修正、高能级对低能级的波函数的修正，对自旋弛豫过程都有着非常重要的贡献
30、。同时详细研究了自旋弛豫时间对磁场、量子点半径、量子阱的阱宽以及温度的依赖关系。接着我们研究了强 THz 场对两维电子气的调控作用。本研究用 Floquet 定理严格求解包括自旋轨道耦合的薛定谔方程，利用求出的波函数得到态密度以及自旋极化密度。发现 THz 场对态密度和自旋极化密度有非常大的影响，并且可以在垂直于 THz 电场方向上诱导出一个 THz 的磁矩。指出这个效应可以用来把 THz 的电信号转化成 THz 的磁信号。在对多体问题的研究中，通过求解动力学自旋 Bloch 方程，研究了量子线和量子阱系统中的自旋弛豫/去相位与自旋扩散/输运问题。首先研究了 InAs 量子线中由可以通过电场调
31、节的 Rashba 自旋轨道耦合所导致的自旋弛豫过程。发现在外加磁场方向垂直于量子线生长方向时，沿着量子线方向的自旋极化的自旋弛豫时间可以由界面电场调控；而当磁场沿着量子线方向，垂直于量子线生长方向的自旋极化的弛豫时间与界面电场方向无关。同时，在量子线系统中的非均匀扩展可以用自旋进动频率的均方差很好的描述。接着在等强度的 Dresselhaus 和 Rashba 自旋轨道耦合的 GaAs 量子阱中研究了不同的统计平衡态-基于 Helix 态的 Helix 统计与基于 Collinear 态的 Collinear 统计-对自旋弛豫的影响。本研究发现这两种统计下的自旋弛豫时间几乎没有差别，并且自旋
32、极化方向表现出很强的各向异性。在不考虑 Dresselhaus 自旋轨道耦合三次项的贡献时，沿着(110)方向的自旋弛豫时间是无穷长而其他方向的却非常的短；即使考虑了三次项的贡献，它也要远比其他两个方向的长。仔细讨论了沿着(110)方向的自旋弛豫时间随着外界条件的变化。 在输运问题中，本研究采用一套新的数值计算方法自洽求解空间不均匀的动力学自旋 Bloch 方程及泊松方程，在计入所有散射特别是电子-电子散射以后重新研究在 n 型(001)-GaAs 量子阱的自旋扩散问题。发现即使没有外磁场时，自旋极化也会在扩散方向上有振荡，并且振荡周期与外加电场无关。在散射足够强的时候-内禀的散射如电子-电子
33、散射就已经满足了这个条件-不同动量的电子自旋具有相同的振荡频率以及相位，导致横向的自旋注入长度和系综的横向注入长度相等。进一步研究了自旋扩散/输运长度的散射、温度、量子阱宽、磁场以及电场的依赖关系。接着研究了强度相近的 Dresselhaus 和Rashba 自旋轨道耦合共同作用下各向异性对自旋输运的影响。发现此时自旋扩散长度不仅仅对自旋极化方向，而且对自旋注入方向都表现出很强的各向异性。在不考虑 Dresselhaus 自旋轨道耦合的三次项的贡献并且线性的 Dresselhaus和 Rashba 自旋轨道耦合强度相同时，如果自旋极化方向沿着(110)而注入方向任意，或者注入方向沿着(110)
34、而自旋极化方向任意，自旋扩散长度都是无穷长。在考虑了三次方项的贡献以后，这些自旋扩散长度虽然变为有限值并且随着温度和电子浓度减小，但是各向异性的性质仍然被保留下来。另外，在改变Rashba 强度时，由于 Dresselhaus 自旋轨道耦合三次方项的贡献，自旋扩散长度的最大值出现在 Rashba 强度略小于 Dresslhaus 强度时，而不是文献中所认为的出现在两者相等处。 最后研究了 n 型(001)-GaAs 对称量子阱中外禀自旋霍尔效应的动力学过程。得到稳态的外禀自旋霍尔电导在仅仅考虑线性项的自旋轨道耦合时为零，而在考虑了三次方项的自旋轨道耦合后为一个非常小的值。这是由 Dressel
35、haus/Rashba 自旋轨道耦合引起的自旋进动引起的。同时，自旋进动和偏转散射的共同作用可以在半导体的体内产生极化方向在平面内的自旋极化，并且这种自旋极化和流致极化具有完全不一样的性质，包括具有不同的自旋极化方向，量子阱的阱宽和杂质浓度的依赖关系。在实现自旋电子学器件中有两个非常重要的问题，即如何延长自旋去相干时间和扩散长度，以及如何有效的控制自旋；因此在物理上理解自旋弛豫/去相位和自旋扩散/输运过程是非常必要的。本论文主要内容集中在受限半导体纳米结构如量子点、量子线以及量子阱系统中的自旋弛豫/去相位过程以及量子阱系统的自旋扩散/输运过程的研究，同时研究了 THz 场对两维电子气中自旋的调
36、控作用，以及外禀自旋霍尔效应的动力学过程。 本文首先简单的回顾自旋电子学的发展，主要集中在半导体系统中自旋极化的产生、探测以及在半导体内部的弛豫和输运过程。然后回顾了半导体系统中对自旋弛豫过程有着重要影响的自旋轨道耦合的物理来源，给出如何从 88 Kane 模型中得到 Dresselhaus、Rashba以及 Elliott-Yafet (EY)自旋轨道耦合。然后给出电子系统在三维系统以及约束系统中哈密顿量的具体表示形式，其中包括电子-杂质散射、电子-声子散射以及电子-电子散射。接着回顾了导致自旋弛豫的各种机制以及理论上的处理方法。对于简单的两能级系统，可以使用费米黄金规则和运动方程计算自旋弛
37、豫/去相位时间。相比较而言，运动方程方法可以直接给出自旋极化的时间演化过程，可以扩展到包括了很多能级的系统中的自旋弛豫过程。而对于自旋系综，导致自旋弛豫/去相位机制主要包括 Elliott-Yafet 机制、Dyakonov-Pelel(DP)机制、Bit-Aronov-Pikus (BAP)机制、和原子核之间的超精细相互作用导致的自旋弛豫以及非均匀扩展引起的自旋弛豫/去相位机制。然后回顾了使用动力学自旋 Bloch 方程在自旋弛豫/扩散方面的研究。 在对单体问题的研究中，先考虑的是量子点系统中的自旋弛豫过程。用完全对角化的方法求出包括了自旋轨道耦合在内的量子点系统的波函数后，利用费米黄金规则
38、求出在不同的能量本征态之间由电子-声学声子导致的弛豫时间。发现在 GaAs 量子点中电子-压电声子导致的自旋弛豫占主导地位。结果是指出以往所采用微扰方法仅仅求解Zeeman 能级之间的自旋弛豫时间是不充分的：没有考虑的自旋轨道耦合引起的能量二阶修正、高能级对低能级的波函数的修正，对自旋弛豫过程都有着非常重要的贡献。同时详细研究了自旋弛豫时间对磁场、量子点半径、量子阱的阱宽以及温度的依赖关系。接着我们研究了强 THz 场对两维电子气的调控作用。本研究用 Floquet 定理严格求解包括自旋轨道耦合的薛定谔方程，利用求出的波函数得到态密度以及自旋极化密度。发现 THz 场对态密度和自旋极化密度有非
39、常大的影响，并且可以在垂直于 THz 电场方向上诱导出一个 THz 的磁矩。指出这个效应可以用来把 THz 的电信号转化成 THz 的磁信号。在对多体问题的研究中，通过求解动力学自旋 Bloch 方程，研究了量子线和量子阱系统中的自旋弛豫/去相位与自旋扩散/输运问题。首先研究了 InAs 量子线中由可以通过电场调节的 Rashba 自旋轨道耦合所导致的自旋弛豫过程。发现在外加磁场方向垂直于量子线生长方向时，沿着量子线方向的自旋极化的自旋弛豫时间可以由界面电场调控；而当磁场沿着量子线方向，垂直于量子线生长方向的自旋极化的弛豫时间与界面电场方向无关。同时，在量子线系统中的非均匀扩展可以用自旋进动频
40、率的均方差很好的描述。接着在等强度的 Dresselhaus 和 Rashba 自旋轨道耦合的 GaAs 量子阱中研究了不同的统计平衡态-基于 Helix 态的 Helix 统计与基于 Collinear 态的 Collinear 统计-对自旋弛豫的影响。本研究发现这两种统计下的自旋弛豫时间几乎没有差别，并且自旋极化方向表现出很强的各向异性。在不考虑 Dresselhaus 自旋轨道耦合三次项的贡献时，沿着(110)方向的自旋弛豫时间是无穷长而其他方向的却非常的短；即使考虑了三次项的贡献，它也要远比其他两个方向的长。仔细讨论了沿着(110)方向的自旋弛豫时间随着外界条件的变化。 在输运问题中，
41、本研究采用一套新的数值计算方法自洽求解空间不均匀的动力学自旋 Bloch 方程及泊松方程，在计入所有散射特别是电子-电子散射以后重新研究在 n 型(001)-GaAs 量子阱的自旋扩散问题。发现即使没有外磁场时，自旋极化也会在扩散方向上有振荡，并且振荡周期与外加电场无关。在散射足够强的时候-内禀的散射如电子-电子散射就已经满足了这个条件-不同动量的电子自旋具有相同的振荡频率以及相位，导致横向的自旋注入长度和系综的横向注入长度相等。进一步研究了自旋扩散/输运长度的散射、温度、量子阱宽、磁场以及电场的依赖关系。接着研究了强度相近的 Dresselhaus 和Rashba 自旋轨道耦合共同作用下各向
42、异性对自旋输运的影响。发现此时自旋扩散长度不仅仅对自旋极化方向，而且对自旋注入方向都表现出很强的各向异性。在不考虑 Dresselhaus 自旋轨道耦合的三次项的贡献并且线性的 Dresselhaus和 Rashba 自旋轨道耦合强度相同时，如果自旋极化方向沿着(110)而注入方向任意，或者注入方向沿着(110)而自旋极化方向任意，自旋扩散长度都是无穷长。在考虑了三次方项的贡献以后，这些自旋扩散长度虽然变为有限值并且随着温度和电子浓度减小，但是各向异性的性质仍然被保留下来。另外，在改变Rashba 强度时，由于 Dresselhaus 自旋轨道耦合三次方项的贡献，自旋扩散长度的最大值出现在 R
43、ashba 强度略小于 Dresslhaus 强度时，而不是文献中所认为的出现在两者相等处。 最后研究了 n 型(001)-GaAs 对称量子阱中外禀自旋霍尔效应的动力学过程。得到稳态的外禀自旋霍尔电导在仅仅考虑线性项的自旋轨道耦合时为零，而在考虑了三次方项的自旋轨道耦合后为一个非常小的值。这是由 Dresselhaus/Rashba 自旋轨道耦合引起的自旋进动引起的。同时，自旋进动和偏转散射的共同作用可以在半导体的体内产生极化方向在平面内的自旋极化，并且这种自旋极化和流致极化具有完全不一样的性质，包括具有不同的自旋极化方向，量子阱的阱宽和杂质浓度的依赖关系。在实现自旋电子学器件中有两个非常重
44、要的问题，即如何延长自旋去相干时间和扩散长度，以及如何有效的控制自旋；因此在物理上理解自旋弛豫/去相位和自旋扩散/输运过程是非常必要的。本论文主要内容集中在受限半导体纳米结构如量子点、量子线以及量子阱系统中的自旋弛豫/去相位过程以及量子阱系统的自旋扩散/输运过程的研究，同时研究了 THz 场对两维电子气中自旋的调控作用，以及外禀自旋霍尔效应的动力学过程。 本文首先简单的回顾自旋电子学的发展，主要集中在半导体系统中自旋极化的产生、探测以及在半导体内部的弛豫和输运过程。然后回顾了半导体系统中对自旋弛豫过程有着重要影响的自旋轨道耦合的物理来源，给出如何从 88 Kane 模型中得到 Dresselh
45、aus、Rashba以及 Elliott-Yafet (EY)自旋轨道耦合。然后给出电子系统在三维系统以及约束系统中哈密顿量的具体表示形式，其中包括电子-杂质散射、电子-声子散射以及电子-电子散射。接着回顾了导致自旋弛豫的各种机制以及理论上的处理方法。对于简单的两能级系统，可以使用费米黄金规则和运动方程计算自旋弛豫/去相位时间。相比较而言，运动方程方法可以直接给出自旋极化的时间演化过程，可以扩展到包括了很多能级的系统中的自旋弛豫过程。而对于自旋系综，导致自旋弛豫/去相位机制主要包括 Elliott-Yafet 机制、Dyakonov-Pelel(DP)机制、Bit-Aronov-Pikus (
46、BAP)机制、和原子核之间的超精细相互作用导致的自旋弛豫以及非均匀扩展引起的自旋弛豫/去相位机制。然后回顾了使用动力学自旋 Bloch 方程在自旋弛豫/扩散方面的研究。 在对单体问题的研究中，先考虑的是量子点系统中的自旋弛豫过程。用完全对角化的方法求出包括了自旋轨道耦合在内的量子点系统的波函数后，利用费米黄金规则求出在不同的能量本征态之间由电子-声学声子导致的弛豫时间。发现在 GaAs 量子点中电子-压电声子导致的自旋弛豫占主导地位。结果是指出以往所采用微扰方法仅仅求解Zeeman 能级之间的自旋弛豫时间是不充分的：没有考虑的自旋轨道耦合引起的能量二阶修正、高能级对低能级的波函数的修正，对自旋
47、弛豫过程都有着非常重要的贡献。同时详细研究了自旋弛豫时间对磁场、量子点半径、量子阱的阱宽以及温度的依赖关系。接着我们研究了强 THz 场对两维电子气的调控作用。本研究用 Floquet 定理严格求解包括自旋轨道耦合的薛定谔方程，利用求出的波函数得到态密度以及自旋极化密度。发现 THz 场对态密度和自旋极化密度有非常大的影响，并且可以在垂直于 THz 电场方向上诱导出一个 THz 的磁矩。指出这个效应可以用来把 THz 的电信号转化成 THz 的磁信号。在对多体问题的研究中，通过求解动力学自旋 Bloch 方程，研究了量子线和量子阱系统中的自旋弛豫/去相位与自旋扩散/输运问题。首先研究了 InA
48、s 量子线中由可以通过电场调节的 Rashba 自旋轨道耦合所导致的自旋弛豫过程。发现在外加磁场方向垂直于量子线生长方向时，沿着量子线方向的自旋极化的自旋弛豫时间可以由界面电场调控；而当磁场沿着量子线方向，垂直于量子线生长方向的自旋极化的弛豫时间与界面电场方向无关。同时，在量子线系统中的非均匀扩展可以用自旋进动频率的均方差很好的描述。接着在等强度的 Dresselhaus 和 Rashba 自旋轨道耦合的 GaAs 量子阱中研究了不同的统计平衡态-基于 Helix 态的 Helix 统计与基于 Collinear 态的 Collinear 统计-对自旋弛豫的影响。本研究发现这两种统计下的自旋弛
49、豫时间几乎没有差别，并且自旋极化方向表现出很强的各向异性。在不考虑 Dresselhaus 自旋轨道耦合三次项的贡献时，沿着(110)方向的自旋弛豫时间是无穷长而其他方向的却非常的短；即使考虑了三次项的贡献，它也要远比其他两个方向的长。仔细讨论了沿着(110)方向的自旋弛豫时间随着外界条件的变化。 在输运问题中，本研究采用一套新的数值计算方法自洽求解空间不均匀的动力学自旋 Bloch 方程及泊松方程，在计入所有散射特别是电子-电子散射以后重新研究在 n 型(001)-GaAs 量子阱的自旋扩散问题。发现即使没有外磁场时，自旋极化也会在扩散方向上有振荡，并且振荡周期与外加电场无关。在散射足够强的时候-内禀的散射如电子-电子散射就已经满足了这个条件-不同动量的电子自旋具有相同的振荡频率以及相位，导致横向的自旋注入长度和系综的横向注入长度相等。进一步研究了自旋扩散/输运长度的散射、温度、量子阱宽、磁场以及电场的依赖关系。接着研究了强度相近的 Dresselhaus 和Rashba 自旋轨道耦合共同作用下各向异性对自旋输运的影响。发现此时自旋扩散长度不仅仅对自旋极化方向，而且对自旋注入方向都表现出很强的各向异性。在不考虑 Dresselhaus 自旋轨道耦合的三次项的贡献并且线性的 Dresselhaus和
