三终端rashba量子环中的热致自旋流
国内外学者都十分注重自旋电子学的发展，通过对电子自旋的人为操控获得自旋流以及纯自旋流是研究自旋电子学的重要途径。当前，对自旋电子学的三大方面（自旋注入，自旋操控以及自旋探测）的研究是获得纯自旋流的最关键一步。本文运用非平衡态的格林函数方法考察探索三终端Rashba量子环中自旋赛贝克效应；用理论推导的方法得出不同的格林函数，然后计算处理出各种可以存在的自旋流。最后，通过画图的方法以及理论推导得出自旋流对不同参数的依赖性。关键词 非平衡态格林函数法 Rashba轨道耦合作用 自旋流 目 录
第一章 绪论
1．1 自旋电子学 1
1．2 Rashba轨道耦合作用 1
1．3 热点效应以及自旋Seebeck效应 2
1．4 自旋流 3
1. 5 非平衡态格林函数法 3
1. 6 量子共振隧穿效应 4
1. 7 库伦阻塞效应 5
1. 8 量子力学中的海森堡运动方程 5
第二章 对三终端Rashba量子环中热致自旋流的研究
2．1 研究背景 6
2．2 理论模型 6
2．3 模型涉及的计算 7
2．4 图形分析 9
小结 15
致谢 16
参考文献 17
第一章 绪论
1.1自旋电子学
受到科技发展程度的局限，大部分人一度普遍地相信电子只带基本质量和电荷，然而英国的物理学家狄拉克通过将量子力学和爱因斯坦相对论相结合，产生了一门新科学---相对论量子力学。他提出了电子有内禀自旋，从而成功地解释了电子具有特殊磁性的原因。每一个电子的自旋具有两个方向，当电子处于磁场中时，可能平行或者反平行于磁场的方向，这时候电子就具有了不同能量，并且作定向相干运动的电子由于自旋的存在形成了自旋流。事实上自旋电子学是一门将磁学和微电子学相结合的交叉学科，自旋电子学的运用可以增加信息处理速度和存储密度，对它的研究动力来源于两方面：1在国防军事安全领域，量子通信与计算的地位相当重要。2巨源阻器件的问世极大地促进了替代基于CMOS存储器的相关研究。在自旋电子学中，三大研究方向十分重要：1自
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能平行或者反平行于磁场的方向，这时候电子就具有了不同能量，并且作定向相干运动的电子由于自旋的存在形成了自旋流。事实上自旋电子学是一门将磁学和微电子学相结合的交叉学科，自旋电子学的运用可以增加信息处理速度和存储密度，对它的研究动力来源于两方面：1在国防军事安全领域，量子通信与计算的地位相当重要。2巨源阻器件的问世极大地促进了替代基于CMOS存储器的相关研究。在自旋电子学中，三大研究方向十分重要：1自旋注入（量子自选态和产生极化的电子）2自旋操控（通过外场调节电子自旋的相关量子状态从而进行物理方面的操控）3自旋探测（测量并且探索电子自旋的相干状态）[1-3]。另外，对自旋电子学的物理器件的相关研究大体是围着电学控制，室温以及高度自旋注入效率三个中心问题展开的，里面总体包括了器件，材料和量子计算三方面。巨磁阻效应理论以及场效应晶体管的问世，促进了自旋电子学的发展；随着近年科技的飞速发展，研发人员提出了多种有关物理器件的理论：以电子自旋作为基础的新型纳米器件，自旋效应晶体管以及金属自旋晶体柱。但对这些器件的研究还没有达到完美的地步，在技术层次上仍存在铁磁转化温度的小问题，研发新型基于自旋电子学的半导体材料仍然是一项长期的工作。在自旋电子学中，量子计算机是公认的最值得发展的方向，事实上自旋量子计算机是最有前途的。
1.2 Rashba轨道耦合作用
近代的物理器件一般是通过材料中的载流子进行相关输运，之后随着科学技术的不断发展进步，科学家开始从电子自旋着手完成自旋极化输运。对自旋轨道耦合的研究，科学家发现当电子运动时候，因为空间势能的不断变化产生了自旋轨道耦合，自旋轨道耦合大体可以分为两种。一种与材料自身结构相关，称作内禀自旋轨道耦合（内禀自旋轨道耦合包括Dresselhaus自旋轨道耦合和Rashba自旋轨道耦合）；另一种和外界杂质的势能有关，称为外禀自旋轨道耦合。具体到自旋方向上，Dresselhaus自旋轨道耦合电子自旋方向与电子运动方向平行，而Rashba自旋轨道耦合电子自旋方向与电子运动方向相反。在介观系统中，可以通过对电势的调整来调节Rashba自旋轨道相互作用，这样可以得到自旋极化。将Rashba自旋轨道耦合合理运用到实验中，可以十分方便地通过外电场和外电压将自旋加以操作控制[5,8]。
1.3 热电效应以及自旋Seebeck效应
热电效应其实就是空穴即电子由高温区域向低温区域移动时，产生了电流或电荷集聚；也可以说热端载流子向冷端扩散的结果，比如P型半导体中，热端空穴的浓度比较高，那么空穴就会由高温区域向低温区域扩散。实验测得 P型半导体中温差电动势是由低温区域指向高温区域的， Seebeck系数大于零；相反地， N型半导体中，温差电动势是由高温区域指向低温区域的， Seebeck系数小于零。那么从温差电动势的方向我们就可以比较容易地知道半导体的类型。电子由热端向冷端扩散中，这里的扩散不是由具体浓度因素所引起的，而是由于热端电子具有更高速度和能量决定的。那么，若此作用是主要的，此时Seebeck系数应该是负值。接来下考虑电子自由程的影响。在金属中存在着许多自由电子，但是能对导体起主要作用的仅仅是费米能级附近2KT左右的传导电子，这些电子的自由程和它们遇到的声子散射，杂质以及缺陷散射，能态密度随能量变化有关联。热电效应广泛应用与生物热电以及日常生活中，科学家发现在鲨鱼的鼻子里有能将海水温度的变化转化为电信号的胶体，它在将电信号传递到中枢神经系统，便于鲨鱼感知温度变化，从而快速捕获猎物。如果能人工合成此类胶体，那么将为微电子领域发展做出巨大贡献。生活中，利用热电效应进行热电制冷，造出了多种热电制冷器，极大地方便了人们的日常生活[4]。
Seebeck效应，即热电效应，具体的是指物体两端具有明显温度梯度时,温差的存在会在电极中产生电荷堆积和电流。这种现象一般被人们认为是不同的温度下地电子具有互不相同的平均自由程和扩散速度。当前，Seebeck效应与它的反效应(Peltier效应)已被人们普遍地应用在半导体制冷，热电偶以及温差发电。一旦提及Seebeck效应，那就一定涉及到温差电。温差电事实上是一门研究模型中量子点和电极温度之间依赖关系的科学，温差电技术涵盖了三大方面。德国科学家Seebeck通过实验首次发现了温差电的第一大效应，即塞贝克效应，两个不同的金属相互连接形成一个闭合回路，通过操控使两端产生温度差，在回路中会探测到电流，此效应也即是后来发展起来的温差发电的基础。人们普遍地认为温差与电动势的关系相当复杂，如果取它的二级近似，可以表示为以下的形式：。其中t1为冷端温度；t2是热端温度；c和d为电偶常数，它们的具体值只和组成电偶的材料有关。
1.4 自旋流
自旋流是指自旋极化产生的电流，也就是自旋朝上与自旋朝下的电流值不同，将它们的差值用来定义自旋流。说道自旋流，也就要提及电荷量流，它们是密切联系的。电子的自旋方向竖直向上或竖直向下。在一般的研究系统中，自旋向上和自旋向下的电子数量基本相等，于是总体的自旋效果也就为零。电荷和电流不同，根据电荷的定义，体系电荷是不考虑电子方向的，那么电荷流，然而考虑电子自旋系统时，电子自旋流表达式为，表示自旋向上，表示自旋向下，表示自旋向上的电子
第一章 绪论
1．1 自旋电子学 1
1．2 Rashba轨道耦合作用 1
1．3 热点效应以及自旋Seebeck效应 2
1．4 自旋流 3
1. 5 非平衡态格林函数法 3
1. 6 量子共振隧穿效应 4
1. 7 库伦阻塞效应 5
1. 8 量子力学中的海森堡运动方程 5
第二章 对三终端Rashba量子环中热致自旋流的研究
2．1 研究背景 6
2．2 理论模型 6
2．3 模型涉及的计算 7
2．4 图形分析 9
小结 15
致谢 16
参考文献 17
第一章 绪论
1.1自旋电子学
受到科技发展程度的局限，大部分人一度普遍地相信电子只带基本质量和电荷，然而英国的物理学家狄拉克通过将量子力学和爱因斯坦相对论相结合，产生了一门新科学---相对论量子力学。他提出了电子有内禀自旋，从而成功地解释了电子具有特殊磁性的原因。每一个电子的自旋具有两个方向，当电子处于磁场中时，可能平行或者反平行于磁场的方向，这时候电子就具有了不同能量，并且作定向相干运动的电子由于自旋的存在形成了自旋流。事实上自旋电子学是一门将磁学和微电子学相结合的交叉学科，自旋电子学的运用可以增加信息处理速度和存储密度，对它的研究动力来源于两方面：1在国防军事安全领域，量子通信与计算的地位相当重要。2巨源阻器件的问世极大地促进了替代基于CMOS存储器的相关研究。在自旋电子学中，三大研究方向十分重要：1自
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
能平行或者反平行于磁场的方向，这时候电子就具有了不同能量，并且作定向相干运动的电子由于自旋的存在形成了自旋流。事实上自旋电子学是一门将磁学和微电子学相结合的交叉学科，自旋电子学的运用可以增加信息处理速度和存储密度，对它的研究动力来源于两方面：1在国防军事安全领域，量子通信与计算的地位相当重要。2巨源阻器件的问世极大地促进了替代基于CMOS存储器的相关研究。在自旋电子学中，三大研究方向十分重要：1自旋注入（量子自选态和产生极化的电子）2自旋操控（通过外场调节电子自旋的相关量子状态从而进行物理方面的操控）3自旋探测（测量并且探索电子自旋的相干状态）[1-3]。另外，对自旋电子学的物理器件的相关研究大体是围着电学控制，室温以及高度自旋注入效率三个中心问题展开的，里面总体包括了器件，材料和量子计算三方面。巨磁阻效应理论以及场效应晶体管的问世，促进了自旋电子学的发展；随着近年科技的飞速发展，研发人员提出了多种有关物理器件的理论：以电子自旋作为基础的新型纳米器件，自旋效应晶体管以及金属自旋晶体柱。但对这些器件的研究还没有达到完美的地步，在技术层次上仍存在铁磁转化温度的小问题，研发新型基于自旋电子学的半导体材料仍然是一项长期的工作。在自旋电子学中，量子计算机是公认的最值得发展的方向，事实上自旋量子计算机是最有前途的。
1.2 Rashba轨道耦合作用
近代的物理器件一般是通过材料中的载流子进行相关输运，之后随着科学技术的不断发展进步，科学家开始从电子自旋着手完成自旋极化输运。对自旋轨道耦合的研究，科学家发现当电子运动时候，因为空间势能的不断变化产生了自旋轨道耦合，自旋轨道耦合大体可以分为两种。一种与材料自身结构相关，称作内禀自旋轨道耦合（内禀自旋轨道耦合包括Dresselhaus自旋轨道耦合和Rashba自旋轨道耦合）；另一种和外界杂质的势能有关，称为外禀自旋轨道耦合。具体到自旋方向上，Dresselhaus自旋轨道耦合电子自旋方向与电子运动方向平行，而Rashba自旋轨道耦合电子自旋方向与电子运动方向相反。在介观系统中，可以通过对电势的调整来调节Rashba自旋轨道相互作用，这样可以得到自旋极化。将Rashba自旋轨道耦合合理运用到实验中，可以十分方便地通过外电场和外电压将自旋加以操作控制[5,8]。
1.3 热电效应以及自旋Seebeck效应
热电效应其实就是空穴即电子由高温区域向低温区域移动时，产生了电流或电荷集聚；也可以说热端载流子向冷端扩散的结果，比如P型半导体中，热端空穴的浓度比较高，那么空穴就会由高温区域向低温区域扩散。实验测得 P型半导体中温差电动势是由低温区域指向高温区域的， Seebeck系数大于零；相反地， N型半导体中，温差电动势是由高温区域指向低温区域的， Seebeck系数小于零。那么从温差电动势的方向我们就可以比较容易地知道半导体的类型。电子由热端向冷端扩散中，这里的扩散不是由具体浓度因素所引起的，而是由于热端电子具有更高速度和能量决定的。那么，若此作用是主要的，此时Seebeck系数应该是负值。接来下考虑电子自由程的影响。在金属中存在着许多自由电子，但是能对导体起主要作用的仅仅是费米能级附近2KT左右的传导电子，这些电子的自由程和它们遇到的声子散射，杂质以及缺陷散射，能态密度随能量变化有关联。热电效应广泛应用与生物热电以及日常生活中，科学家发现在鲨鱼的鼻子里有能将海水温度的变化转化为电信号的胶体，它在将电信号传递到中枢神经系统，便于鲨鱼感知温度变化，从而快速捕获猎物。如果能人工合成此类胶体，那么将为微电子领域发展做出巨大贡献。生活中，利用热电效应进行热电制冷，造出了多种热电制冷器，极大地方便了人们的日常生活[4]。
Seebeck效应，即热电效应，具体的是指物体两端具有明显温度梯度时,温差的存在会在电极中产生电荷堆积和电流。这种现象一般被人们认为是不同的温度下地电子具有互不相同的平均自由程和扩散速度。当前，Seebeck效应与它的反效应(Peltier效应)已被人们普遍地应用在半导体制冷，热电偶以及温差发电。一旦提及Seebeck效应，那就一定涉及到温差电。温差电事实上是一门研究模型中量子点和电极温度之间依赖关系的科学，温差电技术涵盖了三大方面。德国科学家Seebeck通过实验首次发现了温差电的第一大效应，即塞贝克效应，两个不同的金属相互连接形成一个闭合回路，通过操控使两端产生温度差，在回路中会探测到电流，此效应也即是后来发展起来的温差发电的基础。人们普遍地认为温差与电动势的关系相当复杂，如果取它的二级近似，可以表示为以下的形式：。其中t1为冷端温度；t2是热端温度；c和d为电偶常数，它们的具体值只和组成电偶的材料有关。
1.4 自旋流
自旋流是指自旋极化产生的电流，也就是自旋朝上与自旋朝下的电流值不同，将它们的差值用来定义自旋流。说道自旋流，也就要提及电荷量流，它们是密切联系的。电子的自旋方向竖直向上或竖直向下。在一般的研究系统中，自旋向上和自旋向下的电子数量基本相等，于是总体的自旋效果也就为零。电荷和电流不同，根据电荷的定义，体系电荷是不考虑电子方向的，那么电荷流，然而考虑电子自旋系统时，电子自旋流表达式为，表示自旋向上，表示自旋向下，表示自旋向上的电子
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