磁化及自旋轨道耦合作用共同诱导的持续自旋极化电流的理论研究
我们从理论上预测在没有外部偏压的情况下，连接有正常和铁磁导线的Rashba环中会有持续电流。这种电流是由于存在的铁磁导线破坏了由Rashba自旋轨道耦合（RSOC）引起的原始持续自旋流中的时间反演对称性而产生的结果。由卡文迪许格林函数方法，我们发现产生的电流的幅度、符号和自旋极化都是由系统参数决定的。例如铁磁导线的磁化方向、隧穿系数、自旋轨道耦合强度和铁磁导线的交换能等参数。这些参数在实验室是可调的，也就是说，在我们所研究的器件中可以获得可调控的持续自旋极化电流。关键词 自旋电子学，自旋电流，Rashba自旋轨道耦合，Rashba环，卡文迪许格林函数
目录
1 引言 2
1.1 研究现状 2
1.2 量子效应 3
1.2.1 量子隧穿效应 3
1.2.2 Rashba自旋轨道耦合效应 4
1.3 研究方法 5
2 模型和方法 6
3 数值结果与讨论 9
结论 12
致谢 13
参考文献 14
1 引言
众所周知，电荷和自旋是电子的两个重要的固有属性。现代微电子技术着重利用了电子的电荷属性而没有把电子的自旋特性考虑在内。实际上，电子的自旋特性早在20世纪20年代就被人类发现，但直到发现材料的电阻率随着材料磁化状态的变化而发生显著改变的巨磁电阻效应并用自旋相关散射和双电流模型来解释之后，电子自旋的重要价值才被人们重视。电子的自由度有很多比电荷自由度更优越的性能，过去却一直没有被人们发现和利用，其优良的性能比如有低能耗、退相干时间长、运算速度快等。因此，研究电子自旋的相关课题已经成为当今研究的热点，并逐渐形成了一个新的研究领域，即自旋电子学。自从二十年前巨磁效应被人们发现以来，电子学已经发展成凝聚态物理学最活跃的子领域之一。自旋电子学研究的主要目的是为了开发新一代的电子器件——自旋电子器件[1]。自旋电子器件由于其体积小、运行速度快、功耗低、易于丢失等优点，被认为是下一代电子器件的强有力的候选器件。这种器件的优越性能和广阔的发展前景，势必引起当今科技革命的又一个高潮！
1.1 研究现状
1998年，我国国家自然科学基金 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
委员会就设立了“巨磁电阻物理、材料研究及其在信息技术中应用”重大项目。2001年，国家科技部在国家重点基础设施发展规划项目中设立了“自旋电子材料、物理和器件开发”项目。在国外，这个方向的研究也相当迅速。1985年约翰逊和西尔斯比观察到，铁磁金属可以极化d电子为普通金属；艾伯特费尔蒂等和彼得格伦伯格发现巨磁电阻效应，即当相邻材料的磁化方向相同时，材料的电导就越大；当磁化方向相反时，材料电导就越小。也可追溯到梅泽夫和特德罗的铁磁性和超导隧道实验，以及祖利尔于1970年所做的磁隧道结，即非磁层为绝缘体或半导体的磁性多层膜。磁电子器件的半导体材料的使用可以追溯到1990的达塔和DAS（DAS）理论提出的自旋场效应二极管。1988年，在[铁/铬]周期性多层膜中，法国科学家佛特（Fert）组观察到当外加磁场被应用，电阻变化率可以高达50%，因此它被称为巨磁阻（GMR）效应[2]。在多层膜的反铁磁耦合中，巨磁阻发生的必要条件是在外加磁场作用下，相邻磁层的磁矩才可以被改变，因此需要很高的外磁场才能观察到巨磁阻效应，因此它无法应用在器件中。后来，人们设计的夹层结构，相邻铁磁层的磁矩不存在（或很小）的交换耦合，相邻铁磁层的磁矩反平行排列到平行排列或从反平行排列到平行排列，这样就可以产生变化的磁电阻效应，这就是 所谓的自旋阀结构（自旋阀）。也就是说这种结构是人为加上外磁场，使相邻磁层的磁序发生变化，从而获得巨磁电阻的。所以自旋阀结构的出现使得巨磁电阻效应的应用很快变为现实。除了上述磁性多层结构以外，半导体自旋电子学如磁性半导体、磁性半导体材料、量子受限和纳米结构中的自旋现象，以及半导体的自旋注入等方面的研究，在巨磁电阻效应被发现以后也变得非常活跃，引起科研人员的极大关注和研究兴趣。同时，这也使自旋电子学的内容得到了极大的发展和丰富。可以说，自旋电子学目前正在快速发展中，许多新现象和应用随着科学技术的发展和人们的认识水平将不断被发现，并将很快应用在人类的生产和生活之中。
1.2 量子效应
1.2.1 量子隧穿效应
经典物理思想认为，如果粒子的能量不高于势垒能量，粒子就不会穿过势垒，而在量子力学中有固定能量的电子波是可以穿过势垒的，不需要高于势垒能量。例如，两金属（或半导体，超导体）一层约0.1nm极薄的绝缘层厚度之间的关系，构成了一个“结”原件。让电子从金属的左边开始，可以认为电子是自由的，金属中的势能是零。由于电子不易通过绝缘层，因此绝缘层就像一个壁垒，我们将它称为势垒。因电子的能量小于区域Ⅱ中的势能值U0，若电子进入Ⅱ区，就必然出现“负动能”，这是不可能发生的。用经典力学无法解释这种现象，但是用量子力学就可以解释。量子力学的观点认为，微观粒子具有波粒二象性。也就是说自由电子既有粒子性，又有波动性。正因为电子是波动的，而它们的运动又可以由波函数来描述，这种波函数遵循着薛定谔方程。它的解表示一个概率波，从薛定谔方程的解，我们就可以知道在每个区域的电子的概率密度，以及电子穿过势垒的概率。然而，在宏观实验中，观察现象并不容易。但根据量子力学的观点，无论粒子的能量是否高于势垒，都不确定粒子是否能穿越势垒，只能分辨粒子穿越势垒的的概率的大小。它取决于势垒高度、粒子本身的宽度和能量。自由电子的能量高于势垒的、运动方向适宜的也未必一定穿越，只能说明穿越的概率更大一些而已。自由电子能量低于势垒的，仍然有一定的几率达到穿越，即可能是粒子的一部分（代表点）穿过障碍物，仿佛就像从山的一侧穿到另外一侧一般，这就是所谓的量子隧穿效应[3]。
1.2.2 Rashba自旋轨道耦合作用
关于Rashba自旋轨道耦合效应[4]的相互作用一直以来备受研究者的关注。在电
子发生运动时，自旋轨道耦合的发生是由于空间势的变化，这种变化引起的自旋轨道耦合分为两大类，在这两类中，Rashba自旋轨道耦合的产生是由于结构反演的不对称以及材料结构的非中心对称导致的能带的倾斜。在固体中，高速运动的电子的能量会因自旋轨道耦合作用有所修正。具有较高原子序数的原子，其周围的电子具有更高的运动速度，因此通常具有更高的自旋轨道耦合作用。固体中反演对称性的主要来源可以分为两种：体材料反演不对称和结构反演不对称性。前者由于晶体结构缺乏反演中心，如闪锌矿结构；后者普遍存在于表面或界面体系，如金属薄膜表面。在纳米材料中还存在空间反演破缺导致的自旋轨道耦合作用，Bychkov和Rashba最早指出这种自旋轨道耦合，因此这种由材料的结构反演不对称引起的自旋轨道耦合作用称为Rashba自旋轨道耦合。
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1 引言 2
1.1 研究现状 2
1.2 量子效应 3
1.2.1 量子隧穿效应 3
1.2.2 Rashba自旋轨道耦合效应 4
1.3 研究方法 5
2 模型和方法 6
3 数值结果与讨论 9
结论 12
致谢 13
参考文献 14
1 引言
众所周知，电荷和自旋是电子的两个重要的固有属性。现代微电子技术着重利用了电子的电荷属性而没有把电子的自旋特性考虑在内。实际上，电子的自旋特性早在20世纪20年代就被人类发现，但直到发现材料的电阻率随着材料磁化状态的变化而发生显著改变的巨磁电阻效应并用自旋相关散射和双电流模型来解释之后，电子自旋的重要价值才被人们重视。电子的自由度有很多比电荷自由度更优越的性能，过去却一直没有被人们发现和利用，其优良的性能比如有低能耗、退相干时间长、运算速度快等。因此，研究电子自旋的相关课题已经成为当今研究的热点，并逐渐形成了一个新的研究领域，即自旋电子学。自从二十年前巨磁效应被人们发现以来，电子学已经发展成凝聚态物理学最活跃的子领域之一。自旋电子学研究的主要目的是为了开发新一代的电子器件——自旋电子器件[1]。自旋电子器件由于其体积小、运行速度快、功耗低、易于丢失等优点，被认为是下一代电子器件的强有力的候选器件。这种器件的优越性能和广阔的发展前景，势必引起当今科技革命的又一个高潮！
1.1 研究现状
1998年，我国国家自然科学基金 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
委员会就设立了“巨磁电阻物理、材料研究及其在信息技术中应用”重大项目。2001年，国家科技部在国家重点基础设施发展规划项目中设立了“自旋电子材料、物理和器件开发”项目。在国外，这个方向的研究也相当迅速。1985年约翰逊和西尔斯比观察到，铁磁金属可以极化d电子为普通金属；艾伯特费尔蒂等和彼得格伦伯格发现巨磁电阻效应，即当相邻材料的磁化方向相同时，材料的电导就越大；当磁化方向相反时，材料电导就越小。也可追溯到梅泽夫和特德罗的铁磁性和超导隧道实验，以及祖利尔于1970年所做的磁隧道结，即非磁层为绝缘体或半导体的磁性多层膜。磁电子器件的半导体材料的使用可以追溯到1990的达塔和DAS（DAS）理论提出的自旋场效应二极管。1988年，在[铁/铬]周期性多层膜中，法国科学家佛特（Fert）组观察到当外加磁场被应用，电阻变化率可以高达50%，因此它被称为巨磁阻（GMR）效应[2]。在多层膜的反铁磁耦合中，巨磁阻发生的必要条件是在外加磁场作用下，相邻磁层的磁矩才可以被改变，因此需要很高的外磁场才能观察到巨磁阻效应，因此它无法应用在器件中。后来，人们设计的夹层结构，相邻铁磁层的磁矩不存在（或很小）的交换耦合，相邻铁磁层的磁矩反平行排列到平行排列或从反平行排列到平行排列，这样就可以产生变化的磁电阻效应，这就是 所谓的自旋阀结构（自旋阀）。也就是说这种结构是人为加上外磁场，使相邻磁层的磁序发生变化，从而获得巨磁电阻的。所以自旋阀结构的出现使得巨磁电阻效应的应用很快变为现实。除了上述磁性多层结构以外，半导体自旋电子学如磁性半导体、磁性半导体材料、量子受限和纳米结构中的自旋现象，以及半导体的自旋注入等方面的研究，在巨磁电阻效应被发现以后也变得非常活跃，引起科研人员的极大关注和研究兴趣。同时，这也使自旋电子学的内容得到了极大的发展和丰富。可以说，自旋电子学目前正在快速发展中，许多新现象和应用随着科学技术的发展和人们的认识水平将不断被发现，并将很快应用在人类的生产和生活之中。
1.2 量子效应
1.2.1 量子隧穿效应
经典物理思想认为，如果粒子的能量不高于势垒能量，粒子就不会穿过势垒，而在量子力学中有固定能量的电子波是可以穿过势垒的，不需要高于势垒能量。例如，两金属（或半导体，超导体）一层约0.1nm极薄的绝缘层厚度之间的关系，构成了一个“结”原件。让电子从金属的左边开始，可以认为电子是自由的，金属中的势能是零。由于电子不易通过绝缘层，因此绝缘层就像一个壁垒，我们将它称为势垒。因电子的能量小于区域Ⅱ中的势能值U0，若电子进入Ⅱ区，就必然出现“负动能”，这是不可能发生的。用经典力学无法解释这种现象，但是用量子力学就可以解释。量子力学的观点认为，微观粒子具有波粒二象性。也就是说自由电子既有粒子性，又有波动性。正因为电子是波动的，而它们的运动又可以由波函数来描述，这种波函数遵循着薛定谔方程。它的解表示一个概率波，从薛定谔方程的解，我们就可以知道在每个区域的电子的概率密度，以及电子穿过势垒的概率。然而，在宏观实验中，观察现象并不容易。但根据量子力学的观点，无论粒子的能量是否高于势垒，都不确定粒子是否能穿越势垒，只能分辨粒子穿越势垒的的概率的大小。它取决于势垒高度、粒子本身的宽度和能量。自由电子的能量高于势垒的、运动方向适宜的也未必一定穿越，只能说明穿越的概率更大一些而已。自由电子能量低于势垒的，仍然有一定的几率达到穿越，即可能是粒子的一部分（代表点）穿过障碍物，仿佛就像从山的一侧穿到另外一侧一般，这就是所谓的量子隧穿效应[3]。
1.2.2 Rashba自旋轨道耦合作用
关于Rashba自旋轨道耦合效应[4]的相互作用一直以来备受研究者的关注。在电
子发生运动时，自旋轨道耦合的发生是由于空间势的变化，这种变化引起的自旋轨道耦合分为两大类，在这两类中，Rashba自旋轨道耦合的产生是由于结构反演的不对称以及材料结构的非中心对称导致的能带的倾斜。在固体中，高速运动的电子的能量会因自旋轨道耦合作用有所修正。具有较高原子序数的原子，其周围的电子具有更高的运动速度，因此通常具有更高的自旋轨道耦合作用。固体中反演对称性的主要来源可以分为两种：体材料反演不对称和结构反演不对称性。前者由于晶体结构缺乏反演中心，如闪锌矿结构；后者普遍存在于表面或界面体系，如金属薄膜表面。在纳米材料中还存在空间反演破缺导致的自旋轨道耦合作用，Bychkov和Rashba最早指出这种自旋轨道耦合，因此这种由材料的结构反演不对称引起的自旋轨道耦合作用称为Rashba自旋轨道耦合。
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