自旋－軌域耦合是粒子的自旋與軌道動量的相互作用引起的軌道能級上的“細小”分裂。最典型的例子是電子能級的位移。電子移動經過原子核的電場時，會產生電磁作用，電子的自旋與這電磁作用的耦合，形成了自旋-軌域作用。譜線分裂實驗明顯地偵測到電子能級的位移，證實了自旋-軌域作用理論的正確性。另外一個類似的例子是原子核殼層模型能級的位移。半導體或其它新穎材料常常會涉及電子的自旋－軌域耦合效應。自旋電子學專門研究與套用這方面的問題。
基本介紹
- 中文名：自旋－軌域耦合
- 外文名：spin-orbit coupling
- 意義：提供一種新的控制電子自旋方式
- 學科：自旋電子學
概述,理論發展,套用意義,
概述
我們知道，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－軌域耦合的本質是外電場對運動自旋磁矩的作用，自旋－軌域耦契約時也是一個相對論的效應。
如圖（a）表示的是原子核坐標系，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，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，上述運動也可以看成電子不動，原子核繞電子運動，如圖（b），對應的自旋－軌域耦合則可以理解成電子是靜止的，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。
兩種不同坐標系示意圖
兩種不同坐標系示意圖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－軌域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－軌域耦合的具體形式。
理論發展
自旋－軌域耦合是指耦合電子的自旋自由度和它的軌道自由度之間的關係，這種關係提供了一種新的方式來控制電子自旋，即人們可以方便地用外加電場或門電壓來控制和操縱電子的自旋，進而實現自旋電子器件。
自旋－軌域耦合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－軌域耦合分為Rashba自旋－軌域耦合和Dressalhaus自旋－軌域耦合。
Rashba自旋－軌域耦合相互作用機制是由Rashba首先引入的，Rashba自旋－軌域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。
在三維晶體環境中，勢能起源於晶體周期勢。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。Dresselhaus證明了這種體反演不對稱性質會導致導帶有一個自旋－軌域耦合引起的劈裂而形成兩個子帶。
套用意義
隨著自旋電子學的迅猛發展，自旋－軌域耦合越來越受到人們的廣泛關注，國際上關於相關材料中自旋－軌域耦合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－軌域耦合作用提供了一種全電學（不需要外磁場或磁性材料）的方法控制自旋，隨著理論研究的深入和實驗技術的發展，基於自旋－軌域耦合的各種電子器件層出不窮，也必將會帶來更大的實際套用價值。
