半導(dǎo)體中的自旋物理學(xué)

前言

本書旨在對半導(dǎo)體中與自旋相關(guān)的物理現(xiàn)象進行一個并不完全的概述，重點在于近期的研究工作。它可以被視為Optical Orientation一書的更新版，后者關(guān)注的都是體材料半導(dǎo)體中的自旋物理學(xué)。一方面，在過去的24年中，我們見證了令人激動的二維半導(dǎo)體物理學(xué)中非同尋常的進展以及相應(yīng)的革命性的應(yīng)用；另一方面，在過去的大約15年中，人們對自旋現(xiàn)象，特別是低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中自旋現(xiàn)象的興趣又強烈地復(fù)蘇了。在20世紀(jì)70年代和80年代，全世界在此領(lǐng)域中的研究人員從來沒有超過20人，然而，2008年已經(jīng)達到了幾百人，已經(jīng)發(fā)表了幾千篇論文。這種爆炸式的發(fā)展在很大程度上是被某種希望所刺激起來的，即半導(dǎo)體中的電子或原子核的自旋可能有助于實現(xiàn)用量子計算來進行大數(shù)分解的夢想，從而最終發(fā)展出一種基于自旋的電子學(xué)，即“自旋電子學(xué)”。究竟是否能夠?qū)崿F(xiàn)這種愿望，仍然有待于觀察。然而，無論如何，這些想法已經(jīng)產(chǎn)生了許多非常有趣而又激動人心的研究工作，這本身就是一件好事情。半導(dǎo)體中的自旋物理學(xué)是一個豐富多彩而又激動人心的研究領(lǐng)域，有著許多引人入勝的光學(xué)效應(yīng)和輸運效應(yīng)。我們相信，本書概述了其中非常具有代表性的一部分內(nèi)容。我們已經(jīng)盡力使本書對研究生和剛剛涉足這一領(lǐng)域的研究人員有所幫助。

內(nèi)容概要

本書介紹了半導(dǎo)體自旋物理學(xué)當(dāng)前研究全貌，共13章，每章都是由從事該方向研究多年、長期處于研究前沿的專家撰寫。 　　在概述了半導(dǎo)體物理學(xué)和自旋物理學(xué)的基本知識之后，本書重點介紹了當(dāng)前研究的熱點和重要成果，在實驗技術(shù)和實驗測量方面的描述更為詳盡。 　　本書可供對半導(dǎo)體自旋物理學(xué)感興趣的研究生和初次涉足這一領(lǐng)域的研究人員使用，對該領(lǐng)域的一線研究人員也極具參考價值。

作者簡介

譯者：姬揚 編者：（美國）M.I.迪阿科諾夫（Dyakonov.M .I .）

書籍目錄

中文版前言前言第1章　半導(dǎo)體和自旋物理的基礎(chǔ)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(dǎo)體物理學(xué)基礎(chǔ)　　1.3.1　晶體中的電子能譜　　1.3.2　電子和空穴的有效質(zhì)量　　1.3.3　有效質(zhì)量近似　　1.3.4　雜質(zhì)的作用　　1.3.5　激子　　1.3.6　價帶的結(jié)構(gòu)，輕空穴和重空穴　　1.3.7　GaAs的能帶結(jié)構(gòu)　　1.3.8　光生載流子以及熒光　　1.3.9　光學(xué)躍遷中的角動量守恒　　1.3.10　低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)　1.4　半導(dǎo)體中的自旋物理學(xué)：概覽　　1.4.1　光學(xué)自旋取向與探測　　1.4.2　自旋弛豫　　1.4.3　Hanle效應(yīng)　　1.4.4　自旋流和電流的相互轉(zhuǎn)化　　1.4.5　電子與原子核系統(tǒng)之間的相互作用　1.5　本書內(nèi)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(xué)　2.1　導(dǎo)論　2.2　自旋動力學(xué)的光學(xué)測量　2.3　自由電子的自旋弛豫機制　2.4　體材料半導(dǎo)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(jié)構(gòu)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　二維電子氣中的振蕩自旋動力學(xué)　2.6　體材料和量子阱中自由空穴的自旋動力學(xué)　2.7　量子阱中自旋動力學(xué)的設(shè)計和控制　2.8　結(jié)論　參考文獻第3章　半導(dǎo)體量子阱中的激子自旋動力學(xué)　3.1　二維激子的精細結(jié)構(gòu)　　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(xué)取向　3.3　量子阱中的激子自旋動力學(xué)　　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(xù)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(xué)　3.6　高密度激子系統(tǒng)中的自旋動力學(xué)　參考文獻第4章　半導(dǎo)體量子點中的激子自旋動力學(xué)　4.1　導(dǎo)論　4.2　量子點中的電子空穴復(fù)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(jié)構(gòu)　4.3　無外加磁場時中性量子點中的激子自旋動力學(xué)　　4.3.1　共振激發(fā)下的激子自旋動力學(xué)　　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(xué)　　4.4.1　單量子點光譜中塞曼效應(yīng)與各向異性相互作用導(dǎo)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　荷電激子復(fù)合體：無磁場時的激子自旋動力學(xué)　　4.5.1　荷電激子的形成：摻雜結(jié)構(gòu)和電荷可調(diào)結(jié)構(gòu)　　4.5.2　X+和X-激子的精細結(jié)構(gòu)和偏振　　4.5.3　帶負(fù)電的激子復(fù)合體xn-的自旋動力學(xué)　　4.5.4　束縛電子的自旋記憶　4.6　帶電荷的激子復(fù)合體：外磁場中的自旋動力學(xué)　　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(jié)論　參考文獻第5章　時間自旋分辨動力學(xué)和自旋噪聲譜　5.1　導(dǎo)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(shù)　　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(dǎo)體中耦合的電子和空穴自旋的相干動力學(xué)　　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(zhuǎn)　　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(jié)論　參考文獻第6章　載流子的相干自旋動力學(xué)　6.1　導(dǎo)論　　6.1.1　自旋相干性和自旋退相位時間　　6.1.2　用光學(xué)方法產(chǎn)生自旋相干的載流子　　……第7章　硅中受限電子的自旋性質(zhì)第8章　自旋霍爾效應(yīng)第9章　自旋光電流效應(yīng)第10章　自旋注入第11章　動態(tài)原子核極化與原子核場第12章　量子霍爾效應(yīng)區(qū)內(nèi)的原子核自旋與電子自旋的相互作用第13章　稀磁性半導(dǎo)體的基本物理學(xué)和光學(xué)性質(zhì)譯后記《半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)叢書》已出版書目　

章節(jié)摘錄

插圖：利用時間分辨技術(shù)，在脈沖激發(fā)下測量瞬態(tài)熒光的強度和偏振度，就可以直接給出光生載流子的自旋演化過程。時間分辨的泵浦探測方法是，先用脈沖光進行激發(fā)，然后用一束微弱的、時間延遲的探測脈沖來測量泵浦光誘導(dǎo)產(chǎn)生的透射率的變化（這就是時間分辨法拉第效應(yīng)）或者反射率的變化（克爾效應(yīng)）。這些測量在下述意義上是非直接性的：信號取決于光學(xué)常數(shù)所受到的一些非線性調(diào)制。幸運的是，在量子阱中的所有非線性機制里，最重要的是“相空間填充”：由于泡利原理，導(dǎo)帶或者價帶中光生載流子占據(jù)的狀態(tài)將不再能夠?qū)鈱W(xué)躍遷起作用，所以，這個技術(shù)就對光生的載流子非常敏感。在一些實驗中，進行兩次獨立的測量，一次使用與泵浦光圓偏振性一致的探測光，另一次使用具有相反偏振特性的探測光。一種更靈敏的技術(shù)使用線偏振的探測光，此時，偏振面的旋轉(zhuǎn)就給出了泵浦誘導(dǎo)出來的載流子的差別。解釋這些實驗所得到的信號是非常微妙的，在文獻中通常是一帶而過。帶間激發(fā)可以產(chǎn)生激子或者是自由運動的電子和空穴，它們的貢獻依賴于許多因素，如溫度、激發(fā)能量以及樣品性質(zhì)（本征的、n型的或者p型的）等。在2.5.1節(jié)中，我們討論本征量子阱中激子和自由載流子之間的相互影響。圖2.1給出一個例子來揭示這種微妙性：此時研究的是一個簡并的n型量子阱。圖中給出了吸收譜（PLE）和發(fā)射譜（PL），插圖給出了能帶結(jié)構(gòu)示意圖，箭頭標(biāo)出了熒光峰的位置，以及PLE譜開始的位置，二者之間的差異（斯托克斯位移）取決于費米海的深度Ef。利用低強度的、在PLE起始處的（如圖2.1中箭頭）、圓偏振光激發(fā)的泵浦一探測測量，可以給出光生電子和空穴的相空間填充效應(yīng)。費米能級附近的電子的自旋演化將占據(jù)主導(dǎo)地位，因為空穴將很快地?zé)岢谠サ讲祭餃Y區(qū)中心，位于填充了的電子費米海的“大傘”之下，騰空了起初被占據(jù)的價帶態(tài)。時間分辨或者連續(xù)光熒光譜測量，涉及PLE起始處（及以上）的極化激發(fā)并探測了熒光譜最大值附近的熒光。

后記

半導(dǎo)體中自旋物理學(xué)的研究已經(jīng)有很多年的歷史了,自20世紀(jì)50年代起，前蘇聯(lián)和歐洲的一些科學(xué)家就開始研究半導(dǎo)體體材料中與自旋有關(guān)的物理現(xiàn)象，當(dāng)時，這一領(lǐng)域是個冷門，研究人員很少，但是他們的研究非常耐心、仔細，并做出了非常出色的工作，其主要成果匯集于Optical Orientation（F. Meieir，B.P. Zakharchenya，1984）一書中，近十幾年來，為滿足信息技術(shù)的發(fā)展要求，越來越多的人開始關(guān)注半導(dǎo)體材料中自旋物理現(xiàn)象，還發(fā)展起來了一門新興前沿科學(xué)，即半導(dǎo)體白旋電子學(xué)，它是近年來國際上物理學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域研究的一個熱點，研究半導(dǎo)體中的自旋物理學(xué)有可能對未來的信息技術(shù)產(chǎn)生深刻的影響；即使撇開其應(yīng)用前景不談，研究本身也會發(fā)現(xiàn)新穎的物理現(xiàn)象，揭示出深刻的物理規(guī)律，具有非常重要的科學(xué)意義。正如編者Dyakonov教授所說，本書可以視為Optical Orientation一書的更新版，本書描述了當(dāng)前半導(dǎo)體自旋物理學(xué)研究工作的全貌，尤其是在實驗技術(shù)和實驗測量方面的描述更加詳細，每一章的作者都是多年從事該方向研究，長期處于研究前沿的專家，本書在實驗技術(shù)和實驗測量方面有獨到之處，在硅材料中的自旋現(xiàn)象，電子與原子核的相互作用的實驗研究方面的描述非常詳盡，目前，關(guān)于半導(dǎo)體中的自旋物理學(xué)的英文著作已經(jīng)很多，而中文專著目前只有夏建白、葛惟昆和常凱編著的《半導(dǎo)體自旋電子學(xué)》，另外還有葉良修編著的《半導(dǎo)體物理學(xué)》第二版中的最后一章，雖然已經(jīng)有了《半導(dǎo)體自旋電子學(xué)》這本好書，但是再出版一本由國外專家撰寫的專著也將是非常有益的。為什么要翻譯科學(xué)書籍？從事科學(xué)研究的人直接閱讀原文不是更恰當(dāng)嗎？在這個“全民學(xué)英語”的時代，在這個英文作為科學(xué)工作語言的時代，有必要將英文原著翻譯成中文嗎？莊子說：“言者所以在意，得意而忘言”，那么又何必在意是用中文還是英文來表達這個“意”呢？翻譯的工作量是巨大的，每一頁大約需要兩個小時，整本書下來大約要六七百個小時，這還不包括別人幫助校對的時間，這樣做值得嗎？翻譯并出版這本書已經(jīng)表明了我本人的態(tài)度；而且，即使不值得，也沒有太大的關(guān)系：“不做無益之事，何以遣有涯之生”，翻譯本書的初衷是讓自己更為深入地了解本領(lǐng)域的研究進展；在完成初稿之后，我認(rèn)識到，如果能夠讓更多對此領(lǐng)域感興趣的人接觸到這本書，是有好處的，即使從價格的角度來考慮也是如此，所以才與科學(xué)出版社聯(lián)系出版事宜，并且又再仔細修訂了兩遍，當(dāng)然，這些都不完全是翻譯的理由。

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