半導體中的自旋物理學

本書介紹了半導體自旋物理學當前研究全貌，共13章，每章都是由從事該方向研究多年、長期處於研究前沿的專家撰寫。

在概述了半導體物理學和自旋物理學的基本知識之後，本書重點介紹了當前研究的熱點和重要成果，在實驗技術和實驗測量方面的描述更為詳盡。

本書可供對半導體自旋物理學感興趣的研究生和初次涉足這一領域的研究人員使用，對該領域的一線研究人員也極具參考價值。

中文版前言

前言

第1章 半導體和自旋物理的基礎知識

1.1 歷史背景

1.2 自旋相互作用

1.2.1 泡利原理

1.2.2 交換相互作用

1.2.3 自旋-軌道相互作用

1.2.4 與原子核自旋的超精細相互作用

1.2.5 磁相互作用

1.3 半導體物理學基礎

1.3.1 晶體中的電子能譜

1.3.2 電子和空穴的有效質量

1.3.3 有效質量近似

1.3.4 雜質的作用

1.3.5 激子

1.3.6 價帶的結構, 輕空穴和重空穴

1.3.7 GaAs的能帶結構

1.3.8 光生載流子以及熒光

1.3.9 光學躍遷中的角動量守恆

1.3.10 低維半導體結構

1.4 半導體中的自旋物理學:概覽

1.4.1 光學自旋取向與探測

1.4.2 自旋弛豫

1.4.3 Hanle效應

1.4.4 自旋流和電流的相互轉化

1.4.5 電子與原子核系統之間的相互作用

1.5 本書內容概覽

參考文獻

第2章 量子阱中自由載流子的自旋動力學

2.1 導論

2.2 自旋動力學的光學測量

2.3 自由電子的自旋弛豫機制

2.4 體材料半導體中的自旋弛豫

2.5 [001]取向量子阱中的電子自旋弛豫

2.5.1 對稱的[001]取向的量子阱

2.5.2 [001]取向量子阱中的結構反演不對稱性

2.5.3 量子阱中的自然界面不對稱性

2.5.4 二維電子氣中的振盪自旋動力學

2.6 體材料和量子阱中自由空穴的自旋動力學

2.7 量子阱中自旋動力學的設計和控制

2.8 結論

參考文獻

第3章 半導體量子阱中的激子自旋動力學

3.1 二維激子的精細結構

3.1.1 短程電子-空穴交換相互作用

3.1.2 電子-空穴的長程交換相互作用

3.2 量子阱中激子自旋的光學取向

3.3 量子阱中的激子自旋動力學

3.3.1 量子阱中的激子形成

3.3.2 激子中空穴的自旋弛豫

3.3.3 激子中電子的自旋弛豫

3.3.4 激子自旋弛豫機制

3.4 量子阱中的激子交換能和g因子

3.4.1 用連續光磁熒光譜來測量激子的交換能和g因子

3.4.2 激子的自旋拍

3.5 Ⅱ類量子阱中的激子自旋動力學

3.6 高密度激子系統中的自旋動力學

參考文獻

第4章 半導體量子點中的激子自旋動力學

4.1 導論

4.2 量子點中的電子-空穴複合體

4.2.1 對單粒子圖像的庫侖修正

4.2.2 中性激子的精細結構

4.3 無外加磁場時中性量子點中的激子自旋動力學

4.3.1 共振激發下的激子自旋動力學

4.3.2 激子自旋的量子拍:各向異性的交換相互作用的影響

4.4 有外磁場時中性量子點中的激子自旋動力學

4.4.1 單量子點光譜中塞曼效應與各向異性相互作用導致的劈裂之間的競爭

4.4.2 外磁場下激子自旋的量子拍

4.5 荷電激子複合體:無磁場時的激子自旋動力學

4.5.1 荷電激子的形成:摻雜結構和電荷可調結構

4.5.2 X+和X-激子的精細結構和偏振

4.5.3 帶負電的激子複合體Xn-的自旋動力學

4.5.4 束縛電子的自旋記憶

4.6 帶電荷的激子複合體:外磁場中的自旋動力學

4.6.1 縱向磁場中帶正電激子的電子自旋極化

4.6.2 垂直磁場中帶正電的激子的電子自旋相干性

4.7 結論

參考文獻

第5章 時間自旋分辨動力學和自旋噪聲譜

5.1 導論

5.2 時間分辨和偏振分辨的光致熒光譜

5.2.1 實驗技術

5.2.2 實驗例證Ⅰ:(110)量子阱中的自旋弛豫

5.2.3 實驗例證Ⅱ:半導體中耦合的電子和空穴自旋的相干動力學

5.2.4 光致熒光和自旋-光電器件

5.3 時間分辨法拉第/克爾旋轉

5.3.1 實驗裝置

5.3.2 實驗例證:自旋放大

5.4 自旋噪聲譜

5.5 n-GaAs中的自旋噪聲測量

5.6 結論

參考文獻

第6章 載流子的相干自旋動力學

6.1 導論

6.1.1 自旋相干性和自旋退相位時間

6.1.2 用光學方法產生自旋相干的載流子

6.1.3 實驗技術

6.2 量子阱中的自旋相干性

6.2.1 電子自旋相干性

6.2.2 空穴自旋相干性

6.3 帶有單個電荷的量子點中的自旋相干性

6.3.1 用法拉第旋轉來探測激子和電子的自旋拍頻

6.3.2 電子自旋相干性的產生

6.3.3 量子點系綜中自旋相干性的模式鎖定

6.3.4 原子核誘導的自旋相干性的頻率彙集

6.4 結論

參考文獻

第7章 硅中受限電子的自旋性質

7.1 導論

7.2 硅量子阱中的自旋軌道效應

7.3 Si/SiGe量子阱中導帶電子的自旋弛豫

7.3.1 導帶電子的自旋弛豫機制

7.3.2 Si/SiGe中二維電子氣的線寬和縱向弛豫時間

7.3.3 退相位和縱向自旋弛豫

7.3.4 與實驗的比較

7.4 電流誘導的自旋-軌道場

7.5 交流電流引起的電子自旋共振

7.5.1 電偶極矩的自旋激發和磁偶極矩的自旋激發

7.5.2 二維Si/SiGe結構中的電子自旋共振信號的強度——實驗結果

7.5.3 電子自旋共振的電流誘導激發和探測的模型

7.5.4 功率吸收和線型

7.6 平面束縛下的自旋弛豫

7.6.1 淺施主雜質

7.6.2 從二維電子氣到量子點

7.6.3 硅量子點中的自旋弛豫和退相位

7.7 結論

參考文獻

第8章 自旋霍爾效應

8.1 背景:分子氣體中的磁輸運

8.2 唯象理論:具有反演對稱性的情形

8.2.1 基本知識

8.2.2 自旋流和電流的耦合

8.2.3 唯象方程

8.2.4 自旋-電荷耦合的物理結果

8.2.5 相關的問題

8.2.6 自旋-軌道相互作用的二階項的電效應

8.3 唯象理論:不具有反演對稱性的情形

8.4 微觀機制

8.4.1 電子散射的自旋非對稱性

8.4.2 側跳機制

8.4.3 本徵機制

8.5 實驗

8.5.1 自旋霍爾效應的首次觀測

8.5.2 二維空穴的自旋霍爾效應

8.5.3 二維電子的自旋霍爾效應

8.5.4 金屬中逆自旋霍爾效應的觀測

8.5.5 半導體中的室温自旋霍爾效應

8.6 結論

附錄 推廣的運動方程

參考文獻

第9章 自旋光電流效應

9.1 導論:唯象描述

9.1.1 圓偏振光電流效應

9.1.2 自旋-電流效應和逆自旋-電流效應

9.1.3 純粹的自旋光電流

9.1.4 磁致光電流效應

9.2 圓偏振光電流效應

9.2.1 歷史背景

9.2.2 基本實驗

9.2.3 子帶間躍遷的微觀模型

9.2.4 與k線性項的關係

9.2.5 子帶間躍遷導致的圓偏振光電流效應

9.2.6 帶間光學躍遷

9.2.7 對自旋敏感的漂白

9.3 自旋-電流效應

9.3.1 微觀機制

9.3.2 Hanle效應引起的自旋光電流

9.3.3 零磁場下的自旋-電流效應

9.3.4 Rashba/Dresselhaus自旋劈裂比值的確定

9.4 逆自旋-電流效應

9.4.1 通過自旋翻轉引起的電流誘導極化

9.4.2 進動的機制

9.4.3 電流誘導的自旋法拉第旋轉

9.4.4 電流誘導的熒光偏振

9.5 純自旋流

9.5.1 線偏振光注入的純自旋流

9.5.2 依賴於自旋的散射導致的純自旋流

9.6 總結

參考文獻

第10章 自旋注入

10.1 導論

10.2 自旋注入和自旋堆積的理論模型

10.2.1 啓發性的介紹

10.2.2 微觀輸運模型

10.2.3 自旋輸運的熱動力學理論

10.2.4 Hanle效應

10.3 金屬中的自旋注入實驗

10.4 半導體中的自旋注入

10.4.1 光學實驗

10.4.2 輸運實驗

10.5 相關主題

參考文獻

第11章 動態原子核極化與原子核場

11.1 半導體的電子-原子核自旋系統:有效場和自旋進動頻率的特徵值

11.1.1 自旋能級的塞曼劈裂

11.1.2 四極矩相互作用

11.1.3 超精細相互作用

11.1.4 原子核偶極-偶極相互作用

11.2 原子核引起的電子自旋弛豫:從短關聯時間到長關聯時間

11.3 原子核自旋的動態極化

11.3.1 電子自旋在Overhauser場中的劈裂

11.3.2 電子-原子核自旋系統在法拉第構型中的穩態

11.3.3 局域電子導致的動力學極化

11.3.4 原子核自旋系統的冷卻

11.3.5 中性量子點中由激子引起的原子核極化

11.3.6 在隧穿耦合的量子點中由電流誘導的動態極化

11.3.7 原子核自旋的自極化

11.4 傾斜磁場中的原子核動態極化

11.4.1 電子自旋拉莫爾進動

11.4.2 傾斜磁場中電子-原子核自旋系統的極化

11.4.3 具有各向異性的g因子和自旋弛豫時間的結構中的電子-原子核自旋系統的雙穩態

11.5 原子核磁共振的光學檢測和光學誘導

11.5.1 光學檢測原子核磁共振

11.5.2 多自旋和多量子態的核磁共振NMR

11.5.3 光學誘導核磁共振NMR

11.6 量子點的電子-原子核自旋系統中的自旋守恆

11.6.1 自旋方向保持不變的時間尺度和自旋温度

11.6.2 “自旋記憶”實驗的解釋

11.7 結論

參考文獻

第12章 量子霍爾效應區內的原子核自旋與電子自旋的相互作用

12.1 導論

12.1.1 量子霍爾效應簡介

12.1.2 量子霍爾效應中的電子自旋現象

12.1.3 GaAs基二維電子系統中的原子核自旋

12.2 實驗技術

12.3 量子霍爾區的原子核自旋現象

12.3.1 無序的影響

12.3.2 邊緣溝道的散射

12.3.3 斯格米子

12.3.4 ν=2/3處的原子核-電子自旋相互作用

12.3.5 在ν=2/3處基於電阻測量的核磁共振

12.3.6 ν~1/2處的組合費米子的費米海

12.3.7 其他情形

12.4 總結和展望

參考文獻

第13章 稀磁性半導體的基本物理學和光學性質

13.1 導論

13.2 Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族稀磁性半導體的能帶結構

13.3 稀磁性半導體中的交換相互作用

13.3.1 s,p-d交換相互作用

13.3.2 d-d交換相互作用

13.4 磁性質

13.4.1 非摻雜的稀磁性半導體

13.4.2 載流子誘導的鐵磁性

13.5 基本光學性質

13.5.1 巨塞曼效應

13.5.2 用光學方法檢測Ⅱ-Ⅵ族稀磁性半導體中的鐵磁性

13.5.3 量子點

13.5.4 自旋光發射二極管

13.5.5 Ⅲ-Ⅴ族稀磁性半導體

13.6 自旋動力學

13.6.1 s-d交換相互作用引起的電子自旋弛豫

13.6.2 Mn的自旋弛豫

13.6.3 CdMnTe量子阱中的集體自旋激發

13.7 先進的時間分辨光學實驗

13.7.1 載流子自旋動力學

13.7.2 磁化動力學

參考文獻

譯後記