半導(dǎo)體中的自旋物理學(xué)

前言

本書旨在對(duì)半導(dǎo)體中與自旋相關(guān)的物理現(xiàn)象進(jìn)行一個(gè)并不完全的概述，重點(diǎn)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(guò)去的24年中，我們見證了令人激動(dòng)的二維半導(dǎo)體物理學(xué)中非同尋常的進(jìn)展以及相應(yīng)的革命性的應(yīng)用；另一方面，在過(guò)去的大約15年中，人們對(duì)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(qiáng)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(lái)沒(méi)有超過(guò)20人，然而，2008年已經(jīng)達(dá)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(lái)的，即半導(dǎo)體中的電子或原子核的自旋可能有助于實(shí)現(xiàn)用量子計(jì)算來(lái)進(jìn)行大數(shù)分解的夢(mèng)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(wú)論如何，這些想法已經(jīng)產(chǎn)生了許多非常有趣而又激動(dòng)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(gè)豐富多彩而又激動(dòng)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(yùn)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(duì)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(zhǎng)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(shí)之后，本書重點(diǎn)介紹了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和重要成果，在實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面的描述更為詳盡。 　　本書可供對(duì)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(duì)該領(lǐng)域的一線研究人員也極具參考價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介

譯者：姬揚(yáng) 編者：（美國(guó)）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(shí)　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(xì)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(jià)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(dòng)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(cè)　　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(xiàn)第2章　量子阱中自由載流子的自旋動(dòng)力學(xué)　2.1　導(dǎo)論　2.2　自旋動(dòng)力學(xué)的光學(xué)測(cè)量　2.3　自由電子的自旋弛豫機(jī)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(duì)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(duì)稱性　　2.5.3　量子阱中的自然界面不對(duì)稱性　　2.5.4　二維電子氣中的振蕩自旋動(dòng)力學(xué)　2.6　體材料和量子阱中自由空穴的自旋動(dòng)力學(xué)　2.7　量子阱中自旋動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)和控制　2.8　結(jié)論　參考文獻(xiàn)第3章　半導(dǎo)體量子阱中的激子自旋動(dòng)力學(xué)　3.1　二維激子的精細(xì)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(zhǎng)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(dòng)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(jī)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(lái)測(cè)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(dòng)力學(xué)　3.6　高密度激子系統(tǒng)中的自旋動(dòng)力學(xué)　參考文獻(xiàn)第4章　半導(dǎo)體量子點(diǎn)中的激子自旋動(dòng)力學(xué)　4.1　導(dǎo)論　4.2　量子點(diǎn)中的電子空穴復(fù)合體　　4.2.1　對(duì)單粒子圖像的庫(kù)侖修正　　4.2.2　中性激子的精細(xì)結(jié)構(gòu)　4.3　無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)中性量子點(diǎn)中的激子自旋動(dòng)力學(xué)　　4.3.1　共振激發(fā)下的激子自旋動(dòng)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(chǎng)時(shí)中性量子點(diǎn)中的激子自旋動(dòng)力學(xué)　　4.4.1　單量子點(diǎn)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(jìng)爭(zhēng)　　4.4.2　外磁場(chǎng)下激子自旋的量子拍　4.5　荷電激子復(fù)合體：無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的激子自旋動(dòng)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(xì)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(dòng)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(chǎng)中的自旋動(dòng)力學(xué)　　4.6.1　縱向磁場(chǎng)中帶正電激子的電子自旋極化　　4.6.2　垂直磁場(chǎng)中帶正電的激子的電子自旋相干性　4.7　結(jié)論　參考文獻(xiàn)第5章　時(shí)間自旋分辨動(dòng)力學(xué)和自旋噪聲譜　5.1　導(dǎo)論　5.2　時(shí)間分辨和偏振分辨的光致熒光譜　　5.2.1　實(shí)驗(yàn)技術(shù)　　5.2.2　實(shí)驗(yàn)例證I：(110)量子阱中的自旋弛豫　　5.2.3　實(shí)驗(yàn)例證II：半導(dǎo)體中耦合的電子和空穴自旋的相干動(dòng)力學(xué)　　5.2.4　光致熒光和自旋-光電器件　5.3　時(shí)間分辨法拉第／克爾旋轉(zhuǎn)　　5.3.1　實(shí)驗(yàn)裝置　　5.3.2　實(shí)驗(yàn)例證：自旋放大　5.4　自旋噪聲譜　5.5　n-GaAs中的自旋噪聲測(cè)量　5.6　結(jié)論　參考文獻(xiàn)第6章　載流子的相干自旋動(dòng)力學(xué)　6.1　導(dǎo)論　　6.1.1　自旋相干性和自旋退相位時(shí)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(dòng)態(tài)原子核極化與原子核場(chǎng)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(shí)間分辨技術(shù)，在脈沖激發(fā)下測(cè)量瞬態(tài)熒光的強(qiáng)度和偏振度，就可以直接給出光生載流子的自旋演化過(guò)程。時(shí)間分辨的泵浦探測(cè)方法是，先用脈沖光進(jìn)行激發(fā)，然后用一束微弱的、時(shí)間延遲的探測(cè)脈沖來(lái)測(cè)量泵浦光誘導(dǎo)產(chǎn)生的透射率的變化（這就是時(shí)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(cè)量在下述意義上是非直接性的：信號(hào)取決于光學(xué)常數(shù)所受到的一些非線性調(diào)制。幸運(yùn)的是，在量子阱中的所有非線性機(jī)制里，最重要的是“相空間填充”：由于泡利原理，導(dǎo)帶或者價(jià)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(gè)技術(shù)就對(duì)光生的載流子非常敏感。在一些實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行兩次獨(dú)立的測(cè)量，一次使用與泵浦光圓偏振性一致的探測(cè)光，另一次使用具有相反偏振特性的探測(cè)光。一種更靈敏的技術(shù)使用線偏振的探測(cè)光，此時(shí)，偏振面的旋轉(zhuǎn)就給出了泵浦誘導(dǎo)出來(lái)的載流子的差別。解釋這些實(shí)驗(yàn)所得到的信號(hào)是非常微妙的，在文獻(xiàn)中通常是一帶而過(guò)。帶間激發(fā)可以產(chǎn)生激子或者是自由運(yùn)動(dòng)的電子和空穴，它們的貢獻(xiàn)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(gè)例子來(lái)揭示這種微妙性：此時(shí)研究的是一個(gè)簡(jiǎn)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(fèi)米海的深度Ef。利用低強(qiáng)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(cè)測(cè)量，可以給出光生電子和空穴的相空間填充效應(yīng)。費(fèi)米能級(jí)附近的電子的自旋演化將占據(jù)主導(dǎo)地位，因?yàn)榭昭▽⒑芸斓責(zé)岢谠サ讲祭餃Y區(qū)中心，位于填充了的電子費(fèi)米海的“大傘”之下，騰空了起初被占據(jù)的價(jià)帶態(tài)。時(shí)間分辨或者連續(xù)光熒光譜測(cè)量，涉及PLE起始處（及以上）的極化激發(fā)并探測(cè)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(shí)，這一領(lǐng)域是個(gè)冷門，研究人員很少，但是他們的研究非常耐心、仔細(xì)，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(lái)，為滿足信息技術(shù)的發(fā)展要求，越來(lái)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(lái)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(lái)國(guó)際上物理學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)，研究半導(dǎo)體中的自旋物理學(xué)有可能對(duì)未來(lái)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(huì)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(shuō)，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(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面的描述更加詳細(xì)，每一章的作者都是多年從事該方向研究，長(zhǎng)期處于研究前沿的專家，本書在實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面有獨(dú)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(shí)驗(yàn)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(guó)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(gè)“全民學(xué)英語(yǔ)”的時(shí)代，在這個(gè)英文作為科學(xué)工作語(yǔ)言的時(shí)代，有必要將英文原著翻譯成中文嗎？莊子說(shuō)：“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(lái)表達(dá)這個(gè)“意”呢？翻譯的工作量是巨大的，每一頁(yè)大約需要兩個(gè)小時(shí)，整本書下來(lái)大約要六七百個(gè)小時(shí)，這還不包括別人幫助校對(duì)的時(shí)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(méi)有太大的關(guān)系：“不做無(wú)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(jìn)展；在完成初稿之后，我認(rèn)識(shí)到，如果能夠讓更多對(duì)此領(lǐng)域感興趣的人接觸到這本書，是有好處的，即使從價(jià)格的角度來(lái)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(xì)修訂了兩遍，當(dāng)然，這些都不完全是翻譯的理由。

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