操控半導體電子自旋的動力行為與傳輸的研究

Abstract

這份研究計畫主要有下列三個目標： [1].對自旋霍爾效應(spin-Hall)中自旋堆壘效應(spin accumulation)的物理取得更透 徹的瞭解，並全面地瞭解到自旋堆壘與同時結合內秉的(intrinsic)與非內秉的 (extrinsic)自旋軌道交互作用(SOI: spin-orbit interaction)之間的相互對應關係: 內秉的自旋軌道作互交用包括Rashba 和Dresselhaus 兩項，而非內秉的SOI 主要 係由SOI 的散射效應而來，其散射體如一些重雜質的存在即是。其中關於不同SOIs 之間如何相互作用影響的物理圖像更是大家特別感興趣與關注的。其他一併加進來 研究考慮的相關影響因子有如：二維電子氣(2DEG)的有限厚度效應(finite-thickness effect)，晶格的方向性，和局部散射粒子附近的自旋堆壘效應等。我們希望能透過 這些一一的瞭解而藉以在給予直流(dc)電場的環境影響下，能找出「最適化」的條件 以達到最大的自旋堆壘效果。 [2].對直流(dc)磁場和交流(ac)電場與自旋堆壘的現象、機制與影響取得透徹而全面的 瞭解： 垂直於的或平行於(in-plane)樣品方向的直流(dc)磁場都是研究的重點。其中垂直 於的樣品方向的直流(dc)磁場乃作為提供操控系統中自旋對稱(spin-symmetry)的 額外自由由度以獲致最大自旋堆壘的可能。而垂直於樣品方向的直流(dc)磁場，如 調製在弱場(weak field)範圍的影響下的迴旋運動(cyclotron motion)情形；與如 在強場(strong field) 範圍的影響下產生的Landau-quantization 效應，則可來 用以利作為另一種調製觀察自旋堆壘效果的手段。除此之外，於推廣到有限頻率範 圍時(finite frequency regime)，自旋動力學中的同調-非彈性碰撞過程便自然需 要再加以引入進來計算裡。為了能以一種似古典(classical-like)的途徑來加以描 述這些效應和過程，我們也將從Keldysh-Green 函數出發，來推廣目前自旋擴散方 程(spin-diffusion eqn) 讓其進一步能兼顧到同時含有ac 以及dc 外場的作用。 藉此也同時來瞭解這些效應對於塊材(bulk)極化與邊緣(edge)極化情形之影響。 [3].探討透過純粹電性的方法來偵測傳輸自旋的現象(spin transport)： 透過利用SOI 效應，橫向的荷電流(charge current)自然也可以由自旋電流 (spin-current)中加以產生。這也正是所謂的逆向(inverse)自旋霍爾效應的結 果。我們循此觀念將考慮在不同的系統配置中的自旋電流注射(spin-current injection) 的情形：從而分析計算由擴散機制主導範圍(diffusion regime)及彈 道(ballistic) 機制主導範圍裡所可能衍生的各種對應的荷電流表現的情形。這些 結構中將包含一條開放性的導線，和一條與它相交的導線。外在場的作用影響亦在 此放進來考慮。而關於在彈道機制主導的系統中其自旋電流注射(spin-current injection)的實現則可由我們先前的研究工作中的方法：以交流相變(ac biased) 的手指閘極(finger-gate)所給出。對於擴散機制所主導的作用範圍(diffusion regime)裡，自旋擴散方程(spin-diffusion eqn)中的SOI-coupling 參數自然也隨 之需要擴展到兼具時變性和空間變動性。對此於荷電流，荷電堆壘(charge accumulation)，與自旋電流的相關性將被更深入完整地探討。這些瞭解都將可用於 設計發展以純粹電性的方法來達到自旋電流偵測的目標。