自旋耦合軌道

自旋軌道耦合效應及其套用

隨著自旋電子學的迅猛發展，自旋軌道耦合效應受到廣泛關注，國際上關於相關材料中自旋軌道耦合效應引起的各種新奇物理現象的報導越來越多，如自旋霍爾效應、自旋場效應電晶體、低損耗的自旋、自旋量子計算等。

自旋軌道耦合效應的起源

電場對靜止的電荷有靜電力的作用，電場對運動的電荷除了有靜電力的作用外還有磁場力的作用。磁場對靜止的電荷沒有力的作用，磁場對運動的電荷有力的作用。電場對靜止磁矩無相互作用，電場對運動磁矩有力矩作用。自旋軌道耦合的本質是外電場對運動自旋磁矩的作用，自旋軌道耦契約時也是一個相對論的效應。

1、從經典唯象出發給出自旋軌道耦合

根據庫侖定律，原子核在運動電子－ e 處產生一電場，電子繞原子核以速度 v 運動，存在一自旋磁矩，電場對運動的磁矩將會產生相互作用，所以該自旋磁矩和由原子實在該處產生的電場將產生相互作用，這就是自旋軌道互作用的起源。由於運動是相對的，運動也可以看成電子不動，原子核繞電子運動，對應的自旋軌道耦合則可以理解成電子靜止的，電場 E 以－ v 運動產生一個磁場 B，這磁場 B 對自旋有力矩的作用。

2、從狄拉克方程出發推導自旋軌道耦合項

自旋是相對論量子力學的自然結果，所以更嚴格地給出原子中自旋軌道耦合必須要從狄拉克方程出發，通過狄拉克方程的非相對論極限可以得出自旋軌道耦合的具體形式。

兩種自旋軌道耦合效應

自旋軌道耦合效應在半導體自旋電子學有很多具體套用，實際研究中根據介質材料所受力的性質和材料結構對稱性可以將自旋軌道耦合效應分為 Rashba 自旋軌道耦合和 Dressalhaus 自旋軌道耦合。

1、Rashba 自旋軌道耦合效應

Rashba 自旋軌道耦合效應相互作用機制是由Rashba 首先引入的，Rashba 自旋軌道耦合起源於結構反演不對稱，材料結構的非中心對稱性將導致能帶傾斜。

2、 Dressalhaus 自旋軌道耦合

在三維晶體環境中，勢能 V( r ) 起源於晶體周期勢。大多數多元半導體具有閃鋅礦晶格結構或者鉛鋅礦晶格結構，二者都沒有反演對稱性。

自旋軌道耦合作用研究進展

固體材料中有很多有趣的物理現象，例如磁晶各向異性、自旋霍爾效應、拓撲絕緣體等，都與自旋軌道耦合密切相關。在表面/ 界面體系中，由於結構反演不對稱導致的自旋軌道耦合稱為Ras hba自旋軌道耦合，在半導體材料中獲得研究，並因其強度可由柵電壓靈活調控而備受關注，成為電控磁性的重要物理基礎之一。

自旋軌道耦合作用

磁性金屬表面態可同時存在鐵磁交換劈裂和Rashba自旋劈裂，並因此引起更多與自旋相關的物理現象Krupin等以 Gd（0001 ）表面為例研究了磁性金屬表面Rashba自旋軌道耦合劈裂。先基於近自由電子模型定性描述了磁性金屬表面Rashba自旋劈裂。

自旋軌道耦合的電學方法調控

在半導體異質結中，Rashba 自旋軌道耦合強度可由柵極電壓調控，這也是Rashba自旋軌道耦合比其他自旋軌道耦合作用更受關注的原因。屬表面的Rashba自旋軌道耦合能否通過外加電場來調控。2006年，Bihlmayer等以Lu（0001）為例研究了電場對金屬表面Rashba自旋軌道耦合的調控。在金屬表面存在垂直於表面的內建電場，該電場與金屬的功函式相關。對金屬表面施加外電場時，該外加電場可增加或降低表面態波函式的對稱性，進而增強或減弱表面 Rashba 自旋軌道耦合。