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最近在凝聚态物理和半导体电子学领域,由于自旋-电子系统在量子计算和量子通讯上的潜在应用,有关电子自旋极化的研究倍受科学界和电子工业界的关注。本文主要利用格林函数的方法并且在无规相近似(random phase approximation,RPA)下研究了含有Rashba自旋轨道耦合(RSOC)和Dresselhaus自旋轨道相互作用时二维电子气(2DEG)、二维空穴气(2DHG)的电、光电特性。主要工作包括以下五个部分:
(1)探讨了多体效应,尤其是交换作用对Rashba自旋轨道耦合强度的影响,结果表明考虑了交换作用后自旋轨道耦合的耦合强度增大了,从而解释了为何磁输运实验测量的Rashba耦合强度远大于理论上用k·p单体理论计算的结果。理论计算结果表明多体效应(如交换作用)在此系统中是自旋劈裂增大的一个不可忽略的因素。
(2)研究了在RSOC作用下2DHG的光导。由于能级的劈裂,当电子吸收光子能量时体系有更多的跃迁通道,在光导图上表现为有两个边界值,并且与耦合强度和载流子浓度有关。
(3)Rashba自旋轨道耦合作用下电子空穴双层结构下的plasmon特性的研究。两个由plasmon引起的光吸收峰值的位置和宽度可以通过耦合强度、载流子浓度和层间距离来调节。
(4)研究了在磁场和RSOC作用下电子交换作用对自旋劈裂的影响,结果表明自旋劈裂得到了增强。
(5)磁场和RSOC作用下2DEG的光电特性的研究表明:RSOC的引入使得朗道能级混合并移动,在光跃迁图中表现为有两个强的吸收峰,其位置与光子的能量、磁场强度以及载流子浓度有关。
研究结果表明,Rashba自旋电子系统的电学和光学特性可以通过器件的结构、外磁场以及旋轨耦合强度来调制;Rashba自旋电子系统不仅可应用于新型的电子器件,而且也可应用于能在THz和亚THz频段工作的新型光和光电装置。在此基础上我们设计了双色THz光源,并提出了一套利用光学测量方法来精确测定Rashba空穴系统的spintronic系数的方法。