介观系统中的自旋相关输运

1、安兴涛E-mail: 介观系统中的自旋相关输运报告提纲1. 自旋电子学简介2. 介观系统及其输运性质3. 输运理论介绍 4. 介观系统中自旋相关输运1.自旋电子学简介1.1 自旋电子学的兴起 1.1 自旋电子学的兴起 Can Moores law keep going? 影响Moore定律成立的最大障碍就是能耗！当今的处理器芯片每消耗100W的能量有20%浪费在晶体管门的漏耗上。处理这种能耗的传统方法就是降低芯片上的门电压，但是由于热涨落的影响，这种手段已经达到了自身的极限。01002003004005000.50.350.250.180.130.10.070.05Active PowerPa

2、ssive Power (Device Leakage)3502501801301007050500500400300200100 0Technology node (nm)Power density (W/cm )21.1 自旋电子学的兴起 电子质量，电荷，自旋。 电子逻辑器件利用了电子的电荷性质。 电子之间互作用的能量两级是eV，而自旋间的互作用量级是meV。 自旋为基础的电子器件实现一逻辑操作所消耗的能量要远低于电子器件实现同一逻辑操作所消耗的能量。 自旋电子学器件集逻辑门和存储于一体。1.1 自旋电子学的兴起 Transistor Spintronics (美国国防高级美国国防高级研究

3、计划局研究计划局-DRAPA,94-DRAPA,94) Magnetoelectronics (Gary A. Prinz, 94) Novel device applicationsSpin-FET (field effect transistor)Spin-LED (light-emitting diode)Spin-RTD (resonant tunneling devices) Optical switchesModulatorsEncoders and decodersQuantum bits (for Quantum computation and communication)th

4、e electrical equivalent of a vacuum tube amplifierWilliam Shockley, John Bardeen,Walter Brattain, Bell Labs, in 1948Revolution in ElectronicsIt changed the conceptual landscape of electronicsManipulating the charge carriers in semiconductorsIt may herald a similar conceptual revolution1.1 自旋电子学的兴起 1

5、.1 自旋电子学的兴起 法国科学家阿尔贝法国科学家阿尔贝费尔和德国科学家彼得费尔和德国科学家彼得格林贝格林贝格尔共同获得格尔共同获得2007年诺贝尔物理学奖。这两名科学家获年诺贝尔物理学奖。这两名科学家获奖的原因是先后独立发现了奖的原因是先后独立发现了“巨磁电阻巨磁电阻”效应。根据这效应。根据这一效应开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。一效应开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。 法国科学家阿尔贝费尔（Albert Fert） 德国科学家彼得格林贝格尔(Peter Grnberg) 1.1 自旋电子学的兴起 Magnetic Tunneling Junction and TMR1.1

6、 自旋电子学的兴起 In 1994，GMR sensor came into market。In 1997, , IBM announced the production of GMR read head，after that，the hard disk recording density was improved greatly every year. GMR or TMR magnetic random access memory, MRAM may become the next high technology and good economic product. The recordi

7、ng density can compare with DRAM ，the access speed can compare with SRAM and will not lose data under discharge.1.2 自旋电子学的发展与应用SensorsMagnetic Sensor, especially the week magnetic field sensing, could apply to counterfeit money identifier，week magnetic field sensor etc.The widest applications are al

8、l kinds of motion sensors, for example, location,velocity,acceleration,angle and rotation speed sensing in the electromechanical auto controlling, automobile industry and spaceflight industry.Various noncontact magnet resistance .1970: two types of sensors in market: semiconductor type and magnetic

9、alloy type.In 1994，GMR(SV) sensor came into market with higher sensitivity.SensorsRead headRead head is the most prominent application of all magnetic field sensors. The development of computer, multimedia and information freeway all require big capacity and miniaturized external recording systems.

10、Super density disk development has made the dimension of recording unit reduce to sub-micron,which brings very week stray magnetic field of about mT. On the other hand, the linear velocity becomes low due to miniaturization. The traditional induced magnetic head could write very small recording unit

11、 but can not be read out with sufficient S/N. MR and GMR read head have become the critical and only efficient technology to realize the high density magnetic recording.Read headGMR IsolatorMagnetic random access memory2.介观系统及其输运性质宏观系统经典力学微观系统量子力学介观系统波函数相位介观系统与宏观系统中电子输运性质最重要的两个区别在于：介观系统与宏观系统中电子输运性质最

12、重要的两个区别在于：1. 体现电子的电荷不连续性，这已在单电子隧穿现象中得到证实；体现电子的电荷不连续性，这已在单电子隧穿现象中得到证实；2. 通过较短的空间尺度后电子的波函数仍然保持相位相干。通过较短的空间尺度后电子的波函数仍然保持相位相干。 2.1 介观系统 图2. 1 n型AlGaAs和本征GaAs异质结的导带和价带结构。（a）为电荷输运之前；（b）为电荷输运之后。n-AlGaAs i-GaAs(a)(b)2-DGEEz图2. 2 AlGaAs/GaAs/ AlGaAs量子阱能带结构示意图。AlGaAsAlGaAsGaAs图2. 3 量子线结构示意图。图2.4 分闸法产生的GaAs/Al

13、GaAs量子点影像。二维电子气、量子阱、量子线、量子点能态密度313222212( )()(2 )DmEE221( )( )()DTcndmENEEES dE11/22( )()()DmnmnmEEEEEEE02 ()DmnlEEEE图2. 5 bulk、QW、QWR、QD以及它们的能态密度示意图。量子点接触22011( , )22xyV x yVmxmy00002222( , ),2222xlywxlywV x yffzzzz00002222,2222xlywxlywffzzzz11122( , )tan ( )tan ( )tan ()221geVuvf u vuvuv图2. 6 用分裂栅

14、技术形成的量子点接触。(a)为横截面图，(b)为顶视图。 （a）（b）2.2 典型介观输运现象 2.2.1 2.2.1 弹道输运弹道输运Landauer-Bttiker公式 2(/)GeTijrjijrj图2. 7 流入和流出散射垒的电流示意图。12电子波螺线管图2. 8 Aharonov-Bohm效应示意图。干涉图像的强度随磁通量干涉图像的强度随磁通量呈周期性变化，这一现象简称为呈周期性变化，这一现象简称为ABAB效应。效应。 121202eeeddd AAAl +l =l =iiiiAe222*12121212|4|cos()PAAA A0/h e 2.2.2 Aharonov-Bohm(

15、AB)效应 图2. 9 嵌有QD的Aharonov-Bohm环及其电导谱。 介观系统中，在每一个能量下，如果电子存在两条相互干涉的通道，其介观系统中，在每一个能量下，如果电子存在两条相互干涉的通道，其中一条通道是共振态通道，如量子点中的分立态；另一通道为连续态通道，中一条通道是共振态通道，如量子点中的分立态；另一通道为连续态通道，如量子线或开放环中的电子态，那么系统的电导峰将呈反对称线型。这种效如量子线或开放环中的电子态，那么系统的电导峰将呈反对称线型。这种效应就是我们常说的应就是我们常说的Fano效应。效应。 2.2.3 2.2.3 Fano效应 2.2.4 电导量子化图2. 10 量子点接

16、触中的量子化电导示意图。QPC的总电导为 212NnneGTh21|NnnmmTt N为被占据的子带数。这里为被占据的子带数。这里tmn是电子从第是电子从第m个模过渡到第个模过渡到第n个模的传个模的传输几率幅。由于电子弹道式通过输几率幅。由于电子弹道式通过QPC，没有散射，不会发生模式间的转，没有散射，不会发生模式间的转化，因此化，因此tmn=mn。因为被占据的子带数因为被占据的子带数N为整数，随着为整数，随着QPC的宽度变化而的宽度变化而变化，所以电导呈台阶式变化。变化，所以电导呈台阶式变化。 3.输运理论介绍3.1 传递矩阵理论 11122122MMAEEMMMBFF()( )aaMMMa

17、ABFEaz图2. 1 方形单势垒示意图。()(1)(22)( )aNaMMMMM总多势垒结构与单垒结构类似，只不过总的传递矩阵为多个边界条件产生的矩阵的乘积2221( )ET EAM总1122222( )( )MBR EMT EAM总21总21总11 0F 3.1 传递矩阵理论 11122122SSBASSEF利用传递矩阵可以直接求出散射矩阵的各个分量：11111122221SMM MM1121222SM M1212221SMM 12222SM221TS0F 211RS3.2 散射矩阵理论 3.3 格点格林函数方法 紧束缚模型 ( , )()EHiGr rrr()( )2iHUmAr( ,

18、)( , )RRGGi jr r()REiIH GI一维情况 二维情况 2212( )2DdHU xm dx 101000200020002000ttUttHtUtttUttt22/2tma 4,0iijijUtijHti jr近邻其它()/ijieijtteA rr()REiIH GI3.3 格点格林函数方法 器件导线1ppCppCpCpCGGEIHGGEIH1RRCGEIHRRpp ( , )()()mik aRpmimjm pi jtp ep 3.3 格点格林函数方法 ()RApqpqTTrGGRApppi RGR格林函数描述器件中电子的动力学行为，导线的作用计入到了自能中，函数描述器件

19、和导线的耦合。 3.3 格点格林函数方法 3.4 非平衡格林函数方法 非平衡格林函数定义和一些基本关系 图3. 1 非平衡格林函数的时间闭合回路。12( ,)ijijijijijGGGGG 我们必须定义编时格林函数1212( ,)( )()ijCijGi T aa 1212( , ) ( )( )ijijGt ti T a t a t 121212( , )( , )( )( )ijijijGt tGt ti a t a t 121221( ,)( ,)( )( )ijijjiGt tGt ti a t a t 1212( ,)( )( )ijijGt ti T a t a t 121212(

20、 ,)() ( ),( )rijijG t titta ta t 122112( ,)() ( ),( )aijijGt titta ta tarGGraGGGGGGGGrGGG非平衡格林函数定义和一些基本关系主要方程 运动方程 (), ,rrijijijia aa aa H aDyson方程 rrrrrGggGKeldysh方程 (1)(1)rraaraGGgGGG电流与格林函数的关系 ,LLLkLkLkdJe Nea aieNHdt 12 Im( )( )( )22LrLLdJeTrfGG *2( )( )( )LjiLiLjtt ()()()22LraLLLLddJeffTrGGeffT

21、( ) 为粒子态密度。如果中间区域不存在相互作用，利用格林函数间的关系式很容易得到4. 介观系统中自旋相关输运 Key questions How to create and detect spin-polarized carriers? How to maintain their spin polarization and spin coherence for relatively long times? Current hot topics Creation and control of spin polarization and spin-polarized current (elect

22、rical spin injection, optical manipulation, spin coherence, etc.) Magnetic semiconductors (GaMnAs, GaMnN, InMnAs, etc.) Spin-polarized transport and spin dynamics in semiconductors and semiconductor hybrid structures Half-metallic ferromagnets Spin and charge transport in carbon nanotubes Molecular

23、magnets Novel spin-based devices (spin transistors, spin filters, etc.) Spin-orbit coupling Spin Hall effect4. 1 自旋注入 从铁磁体到半导体的欧姆注入 (低注入率) 铁磁体与半导体的导带失配 自旋极化在界面处丢失从稀磁半导体到半导体注入(e.g. Ga1-xMnxAs) 居里温度太低 最近很多研究集中在了寻找新的磁性半导体材料，如在GaN和ZnO中掺杂磁性材料，其应用温度可达到室温。 4. 2 自旋轨道耦合 EvEBeffveffBSH 相对论效应相对论效应: : 在在电电场中运动的粒子场中运动的粒子会感受到一内