文档介绍：山西大学
硕士学位论文
介观体系中量子自旋极化输运特性的研究
姓名:李淑清
申请学位级别:硕士
专业:理论物理
指导教师:李志坚
20060601
摘要自旋电子学是一门最新发展起来的涉及磁学、电子学以及信息学的交叉学科。本文首先简单地介绍了介观体系和自旋电子学中的一些基本概念,如效应、效应和一维波导理论等。采用一维波导理论的方法,我们分别研究了电子自旋通过处于冠状电场中的介观环和处于切向磁场中的介观环的量子输运问题并获得了这些问题的精确解。电子自旋通过连接两个电极的介观环时,起源于自旋~轨道相互作用的—相位导致了电子自旋的进动通过介观环的自旋极化流和电子自旋的极化方向是相位的函数,因此可以通过改变电场的大小和方向来调节极化自旋流的大小和极化方向。如果对称连接在环上的两个电极是铁磁材料,适当调节电场的大小和方向还会出现负磁阻效应。对于电子自旋通过处于切向磁场中的介观环的情况,可以发现透射电子的自旋极化方向不仅可以由附加磁通控制而且还可以由切向磁场控制,可以通过改变磁场来调节极化自旋流的大小和极化方向。特别是当适当调节磁通或切向磁场时,可以发生电子自旋极化方向的翻转,因此可以由此充当自旋开关。关键词:自旋极化流;介观环;效应;效应;一维波导理论
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引言介观体系这一概念源于二十世纪七十年代末八十年代初,是在研究凝聚态物理中的无序体系的电子输运性质而逐步形成的【”。八十年代以前,物理学研究的体系通常有微观和宏观之分,微观体系的尺寸为原子数量级,即数量级,包含个数不多的粒子。宏观体系的尺寸远大于原子尺寸,包含大量的微观粒子。微观体系和规器件在原理上已走向了极限。电子器件向小型化发展趋势的要求,使介观体系成以半导体硅为材料发展起来的微电子技术不仅取得了突飞猛进的发展而且得到们总希望在一个集成片上集成更多的电子器件,这样就需要将电子器件做的越来越对进一步提高微处理器的速度提出了极大的挑战。当器件的尺寸达到介观尺度时,电子的波动性表现的越来越重要,电子的量子涨落将极大地影响电子器件的功能。众所周知,传统的电子器件利用的是电子的电荷自由度。为了克服上述困难,生产出运行速度更高、能量消耗更低、多功能、高集成的下一代微电子器件,人们正设法利用电子的自旋自由度来设计量子器件【!啊U庵制骷灼说缱拥木涮匦裕而利用了电子的量子特性,因而原则上将允许电子器件的尺寸进一步大大的减小。宏观体系最重要的区别在于它们所遵从的物理规律有很大的差别。在微观体系中,宏观规律淞ρЧ媛不再适用,需要遵从量子力学规律,波函数的相位起着非常重要的作用。而介观体系是指介于传统的宏观体系和微观体系之间,其确切的尺寸范围应视所研究的物性和系统的温度而定6杂诒妒苤厥拥牡绲夹远裕低的尺寸应足够小,温度足够低,以至于从一端到另一端能够保持电子的量子相干性。对于温度为的低温系统,其相干尺寸可达几百至几十微米。八十年代以来,对介观体系的研究已逐步成为凝聚态物理学的一个新领域,这不仅是因为介观体系可以作为理解宏观性质的~个中介途径,而且它们本身表现出的一些特殊现象,有助于对量子力学和统计力学的一些基本理论进行理论上的澄清和实验上的检验。近年来,随着微电子技术的发展,使元件的尺寸进入了介观范围,只限于经典输运理论的常为科学工作者们研究的热门课题。了极为广泛的应用。为了提高电子器件的工作速度和增强电子装置的应用功能,人小。在较大的集成电路中,目前的技术己能够在每平方厘米的面积上集成个电子器件。然而,不能无限制的一直减小电子器件的尺度,因为当电子器件小到一定程度时将使得基于电子器件工作的物理原理不再有效。事实上,目前集成电路中的电子器件的尺寸已经越来越接近于物理的经典极限,这一极限大约是。因此弓
和传输的载体。电子的自旋态具有较长的驰豫时间,更不容易被杂质或缺陷的散射破坏。而且自旋态也容易通过调节外部的电磁场来进行控制。事实上,一些自旋相关的电子装置,比如利用巨磁阻效应的磁读写头,已经商业化了。乐观的估计,自入是输运方法产生非平衡自旋的一个例子,并在实验上已经实现。磁性电极与样品积累。自旋积累率依赖于自旋的驰豫过程,自旋驰豫将使已经积累的自旋回到平衡微秒不等,电子体系中典型的值是几个纳秒。对于大多数应用而言,希望具有长的是半导体异质结构中由于结构的反演不对称性导致的】自旋劈裂对电子输运的影响成了一个极为热烈的研究课题。实验上已经证实可以通过调节外部的门电压改变自旋轨道耦合的强度,基于此,理论上也设计出了自旋相关的场效应管。从基本的科学观点来看,仅仅通过应用一个电场就可产生自旋积累或非平衡的自旋极化就是一个非常有趣的问题,而且这种行为对于自旋电子学的应用更是非常重要。这一新型出现的领域就是所谓的自旋电子学,电子自旋取代电