自旋电子学

ch4自旋电子学 本讲(2学时)内容重点: (1)基本问题 自旋的注入、输运和检测 (2)注入的障碍

Ch 4 自旋电子学 本讲（2学时）内容重点： （1）基本问题 自旋的注入、输运和检测 （2）注入的障碍

基本问题 (比较 MOSFET) 设想的自旋场效应晶体管 源-旋注入 通道-旋传输 漏-旋检测 门-旋控制 门电压产生“等效 磁场” (自旋轨道), 影响自旋进动 改变“漏”电流

设想的自旋场效应晶体管 基本问题 （比较MOSFET） 源------自旋注入 通道---自旋传输 漏------自旋检测 门------自旋控制 门电压产生“等效 磁场” (自旋轨道）， 影响自旋进动 改变 “漏”电流

基本问题的含义(1) (1)自旋注入 使传导电子自旋极化” 即产生非平衡的自旋电子(占有数) n↑≠n 方法之一,光学技术。光取向或光抽运。 方法之二,电学自旋注入。(便于器件的应用)

基本问题的含义（1） （1）自旋注入 “使传导电子自旋极化” 即产生非平衡的自旋电子（占有数） n↑ ≠ n↓ 方法之一，光学技术。光取向或光抽运。 方法之二，电学自旋注入。（便于器件的应用）

基本问题的含义(2) (2)自旋传输 自旋电流从FM电极注入半导体, 会在界面和半导体内产生“累积” 自旋弛豫机制 会使得自旋的非平衡转向平衡 这个特征时间大约是几十纳秒,足够长! (3)自旋检测自旋状态的改变

基本问题的含义（2） （2）自旋传输 自旋电流从FM电极注入半导体， 会在界面和半导体内产生“累积” 自旋弛豫机制 会使得自旋的非平衡转向平衡。 这个特征时间大约是几十纳秒，足够长！ （3）自旋检测 自旋状态的改变

三种自旋注入实验 工作方式实验器件 优点 困难 1电注一电检 M/Semic结电方案 效率低 2电注一光检磁性半导体多层电方案 低温 3光生一光检 Gaas/ZnSe 实验室易实现不易应用

三种自旋注入实验 工作方式 实验器件 优点 困难 1 电注―电检 FM/Semic 结 电方案 效率低 2 电注―光检 磁性半导体多层 电方案 低温 3 光生―光检 GaAs/ZnSe 实验室易实现 不易应用

(1)电注入一电检测(之一) FM Semic界面 早期:效率太低,<1% P.R. Hammar et al, PRL 83, 203(1999) S. Gardelis, et al, PRB 60, 7764 (1999)

（1）电注入―电检测 （之一） FM/ Semic 界面 早期：效率太低，<1％ P. R. Hammar et al，PRL 83，203（1999） S. Gardelis, et al, PRB 60,7764 (1999)

近期: (1)电注入一电检测(之二) FM一肖特基势垒一SC, 据称效率达到30%。 3 8 别人尚未重复! z4已 10 240K 20 A T. Hanbickia) et al APL o 16 80,1240(2002) 126 90K + ⊥⊥⊥⊥⊥L⊥⊥⊥⊥⊥ 0 050100150200250300 Temperature(K)

近期： （1）电注入―电检测 （之二） FM－肖特基势垒－SC， 据称效率达到 30％。 别人尚未重复！ A. T. Hanbickia) et al APL 80，1240 （2002）

(2)电注入一光检测(之一) 实验:磁性半导体电注入和偏振光检测 ( Nature402(1999)790;bd.408(200094 产生:P型一(Ga,Mn)As的自旋极化空穴 和N型-GaAs的非极化电子 进入 n GaAs量子阱复合, 产生极化的场致发光 (T=6K;H=10000e) 检测:偏振光检测

（2）电注入―光检测（之一） 实验：磁性半导体电注入 和 偏振光检测 (Nature 402 (1999)790; ibid. 408 (2000)944) 产生： P型－(Ga,Mn)As 的自旋极化空穴 和N型－GaAs的非极化电子 进入InGaAs量子阱复合， 产生极化的场致发光。 （T=6K; H=1,000 Oe） 检测：偏振光检测

(2)电注入一光检测 GaMnAs(p) (之二) GaAs spacer (O) GaAs substrate(n) 场致发光强度 (左) 100 极化度 四山 0.51.01.5 (右) 0 1251301351.401451.501551.60

（2）电注入―光检测 （之二） 场致发光强度 （左） 极化度 （右）

(3)光产生一光检测(之一) Wolf s a awschalom et al, Science 2001,294,1488 强激光Pump在半导体中, 产生了spin- polarized state, 此时的半导体等效于”磁体” 可以用 Farady-Ker应做光检测 Probe

（3）光产生―光检测（之一） Wolf S A Awschalom et al， Science， 2001，294，1488 强激光Pump在半导体中， 产生了 Spin-polarized state, 此时的半导体等效于”磁体”. 可以用Farady-Kerr 效应做光检测Probe