半导体、冷原子、过渡金属硫化物及超导中自旋、谷极化及Bogoliubov准粒子的动力学研究

半导体、冷原子、过渡金属硫化物及超导中自旋、谷极化及

Bogoliubov准粒子的动力学研究

自旋电子学的主要目的是有效地操控固体材料中的自旋(或赝自旋)自由度。对材料中自旋和电荷的动力学及它们的相互影响的理解对自旋电子学的发展非

常重要。针对这一问题,本论文根据所关心的物理系统分为三个部分。在第一部分,我们研究半导体及超冷原子中的自旋动力学,其中包括自旋弛豫和自旋扩散。

在第二部分,我们研究单层和双层过渡金属硫属化物中由激子引起的谷极化的动力学,其中包括谷去极化动力学和激子的谷霍尔效应。最后在第三部分,我们集中研究s-波和(s+p)-波超导体中Bogoliubov准粒子和凝聚体的自旋及电荷动力学。第一部分,从第1章到第4章,我们集中研究超冷原子以及半导体中的自旋动力学。在第1章,我们综述了半导体自旋电子学的背景及其在超冷原子自旋动力学中的应用。

我们首先综述了半导体中自旋的产生,自旋的检测,自旋的弛豫以及自旋的

扩散。其中,我们介绍了自旋霍尔效应,主要的自旋弛豫机制(其中包括D’yakonov-Perel’,Elliott-Yafet和Bir-Aronov-Pikus机制)和文献中对自旋扩散的理解(其中包括漂移-扩散模型和非均匀扩展图景)。然后我们简要地介绍了超冷原子物理的背景,以及最近实现的自旋轨道耦合的超冷原子及其实验进展。在第2章中,我们发现在超冷的自旋轨道耦合40K费米气中,当塞曼能远比自旋轨道耦合能大时,D’yakonov-Perel’自旋弛豫是反常的。

我们考虑了自旋极化垂直和平行于有效塞曼场的横向和纵向两种构型。我们发现当自旋极化小时,横向自旋弛豫可分成四个而不是通常的两个区域:正常弱

散射区,反常类DP区,反常类EY区和正常强散射区。当自旋极化大时,我们揭示Hartree-Fock自能,作为有效磁场,能够极为有效地抑制弱散射区中的自旋弛豫。在InAs(110)量子阱中,当处在Voigt构型下的磁场远比自旋轨道耦合场大时,我们进一步揭示了Hartree-Fock自能对反常D’yakonov-Perel’自旋弛豫的影响。

对于横向构型,我们发现自旋弛豫对Hartree-Fock有效磁场非常敏感。我们揭示即使非常小的自旋极化(P = 0.1%)也能够显著地影响自旋弛豫的行为。并且,当体系具有中等自旋极化时,我们发现Hartree-Fock场能够促进而不是抑制横

向自旋弛豫。这些特点与通常情形都很不相同。

在上述构型中我们理解了自旋弛豫的反常之处后,我们期待相同构型中自旋扩散也呈现反常的特点。在第3章中,我们研究了超冷的自旋轨道耦合40K费米气中稳态的自旋扩散。我们发现稳态自旋扩散的行为由三个特征长度决定:平均自由程,塞曼振荡长度和自旋轨道耦合振荡长度。我们解析上揭示并且数值上验证通过调节散射强度,系统可分为五个区域,其中稳态自旋极化在空间演化的行为非常丰富,其对散射强度、塞曼场和自旋轨道耦合强度的依赖关系非常不同。

不同区域中自旋扩散的丰富行为很难用文献中简单的漂移-扩散模型和直接的非均匀扩展图景来进行理解。然而,几乎所有这些丰富的行为能够用我们提出的修正的漂移-扩散模型和/或修正的非均匀扩展图景来理解。特别地,我们揭示了自旋扩散的几个反常特点,其与从简单的漂移-扩散模型和直接的非均匀扩展图景所得到的十分不同。除了研究D’yakonov-Perel’自旋弛豫机制之外,我们也研究了本征锗中的Elliott-Yafet自旋弛豫机制。

在第4章中,我们研究了本征锗中热电子效应对由电学方法注入的电子自旋弛豫的影响,并将其与当时在自旋注入构型下的输运实验

[Phys.Rev.Lett.111,257204(2013)]进行了比较。我们的计算结果与实验结果符合得很好。我们揭示在低温下,当存在即使很弱的电场时,Elliott-Yafet自旋弛豫能够被显著加快。这是因为锗中电声相互作用非常弱,从而电场能够在体系中诱导出明显的质心漂移。

这能够解释实验观测和前面理论计算[Phys.Rev.B 86,085202(2012)]之间的分歧:低温时,前面理论计算比实验结果要大约两个量级。第二部分,从第5章到第8章,我们集中研究单层和双层过渡金属硫属化物MX2(M=Mo,W;X=S,Se)中由于电子-空穴交换相互作用引起的谷去极化动力学及激子的谷霍尔效应。在第5章中,我们综述了在最近实现的单层和双层MX2中谷动力学的实验和理论进展。在单层MX2中,我们分别介绍了与自由载流子、激子和荷电激子有关的谷动力学。

特别地,我们综述了最近实现谷极化的产生及探测其弛豫的丰富的实验。在双层MX2中,我们强调了实验中呈现出的激子动力学的新特点。我们也介绍了过渡金属硫属化物异质结及其电荷转移动力学。我们在第6章推导了单层MoS2中的电子-空穴交换相互作用,接着研究了由该交换相互作用引起的谷去极化动力学。

我们发现长程和短程交换相互作用两者都能够引起谷间和谷内发光激子的转变。但是由于价带大的能量劈裂,谷内发光激子转变通道几乎禁戒。从而,由于Maialle-Silva-Sham机制[Phys.Rev.B 47,15776(1993)],由交换相互作用提供的谷间通道能够有效地引起谷去极化。当仅考虑交换相互作用的长程部分时,我们的计算结果与最近的谷极化实验,包括时间分辨的谷极化测量、泵浦-探测实验和稳态的光学荧光极化测量相吻合。

进一步,受最近Zhu等人的光学荧光实验[PNAS 111,11606(2014)]的启发,在第7章中,我们研究了双层WS2中光激发谱和光学荧光去极化动力学。我们提出了对光学荧光谱的一种不同理解。考虑到双层WS2中同时存在层内激子和电荷转移激子,我们发现由于空穴的层间跃迁,两者的相互叠加可以构成准分子(excimer)态。相应地,实验中观察到的四种光学激发分别计算为A-电荷转移激子,A’-excimer,B’-excimer和B-层内激子。

这些态与实验所推测的Γ-谷非直接激子,trion,A-激子和B-激子不同。我们接着推导了双层WS2中电子-空穴交换相互作用,并且研究了其引起的光学荧光去极化动力学。反常地,我们发现演化过程中总是存在一个为初始极化一半的剩余光学荧光极化,其持续无穷长的时间并且对初始的能量展宽和动量散射强度非常皮实。这一大的稳态光学荧光极化意味着光学荧光弛豫时间非常长,从而可能是Zhu等人在双层WS2中所观察到的接近100%、反常大的光学荧光极化的原因。

我们进一步看到在单层和双层MX2中,上述电子-空穴交换相互作用是非常强的,其能够有效地改变激子的能谱。这样,在第8章中,我们揭示了激子能谱的修正对单层和双层MoS2中谷去极化动力学的影响。考虑了交换相互作用对激子能谱的修正,我们也能够研究由交换相互作用引起的激子的谷霍尔效应。对于谷去极化动力学,在单层MoS2中,我们发现在强散射区,通常强散射区中的运动致窄图景不再正确,因为一个新的谷去极化通道被打开。

对于激子的谷霍尔效应,在单层和双层MoS2中,考虑到施加的单轴应变所引起的平衡态的漂移,我们发现交换相互作用能够引起谷/光学荧光霍尔流。特别地,我们揭示了谷霍尔电导对无序势强度的依赖。在强散射区,随着无序势强度的增加,谷霍尔电导减少;而在弱散射区,谷霍尔电导饱和为一个常数。由于不受泡利