半导体、冷原子、过渡金属硫化物及超导中自旋、谷极化及Bogoliubov准粒子的动力学研究

1、半导体、冷原子、过渡金属硫化物及超导中自旋、谷极化及Bogoliubov准粒子的动力学研究自旋电子学的主要目的是有效地操控固体材料中的自旋（或渡自旋）自由度。对材料中自旋和电荷的动力学及它们的相互影响的理解对自旋电子学的发展非 常重 要。针对这一问题，本论文根据所关心的物理系统分为三个部分。在第一部 分，我们 研究半导体及超冷原子中的自旋动力学，其中包括自旋弛豫和自旋扩散。在第二部 分，我们研究单层和双层过渡金属硫属化物中由激子引起的谷极化的动力学，其中 包括谷去极化动力学和激子的谷霍尔效应。最后在第三部分，我们 集中研究S-波 和（s+p）-波超导体中Bogoliubov准粒子和凝聚体的自旋

2、及电荷动 力学。第一部分, 从第1章到第4章，我们集中研究超冷原子以及半导体中的自旋动力学。在第1章, 我们综述了半导体自旋电子学的背景及其在超冷原子自旋动力学中的应用。我们首先综述了半导体中自旋的产生，自旋的检测，自旋的弛豫以及自旋的扩散。其中，我们介绍了自旋霍尔效应，主要的自旋弛豫机制（其中包括D'yakonov-Perel * , Elliott-Yafet 和 Bir-Aronov-Pikus 机制）和文献中对自旋扩 散的理解（其中包括漂移-扩散模型和非均匀扩展图景）。然后我们简要地介绍了 超冷原子物理的背景，以及最近实现的自旋轨道耦合的超冷原子及其实验进展。在 第2章中，我们

3、发现在超冷的自旋轨道耦合40K费米气中，当塞曼能远比自旋轨道耦 合能大时，D'yakonov-Perel '自旋弛豫是反常的。我们考虑了自旋极化垂直和平行于有效塞曼场的横向和纵向两种构型。我们发现当自旋极化小时，横向自旋弛豫可分成四个而不是通常的两个区域：正常弱 散射 区,反常类DP区,反常类EY区和正常强散射区。当自旋极化大时，我们揭示Hartree-Fock自能，作为有效磁场，能够极为有效地抑制弱散射区中的自旋弛豫。在InAs（llO）量子阱中,当处在Voigt构型下的磁场远比自旋轨道耦合场大时,我 们 进一步揭不了 Hartree-Fock自能对反常D* yakonov-

4、Perel自旋弛豫的影响。对于横向构型，我们发现自旋弛豫对Hartree-Fock有效磁场非常敏感。我们揭示即使非常小的自旋极化（P二0.1%）也能够显著地影响自旋弛豫的行为。并且，当 体系具有中等自旋极化时，我们发现Hartree-Fock场能够促进而不是抑制横向自旋 弛豫。这些特点与通常情形都很不相同。在上述构型中我们理解了自旋弛豫的反常之处后，我们期待相同构型中自旋 扩散也呈现反常的特点。在第3章中，我们研究了超冷的自旋轨道耦合40K费米气中稳 态的自旋扩散。我们发现稳态自旋扩散的行为由三个特征长度决定：平均自由程， 塞曼振荡长度和自旋轨道耦合振荡长度。我们解析上揭示并且数值上验 证通过

5、调节散 射强度，系统可分为五个区域，其中稳态自旋极化在空间演化的行为非常丰富，其 对散射强度、塞曼场和自旋轨道耦合强度的依赖关系非常不同。不同区域中自旋扩散的丰富行为很难用文献中简单的漂移-扩散模型和直接的非均匀扩展图景来进行理解。然而，几乎所有这些丰富的行为能够用我们提出的修正 的漂移-扩散模型和/或修正的非均匀扩展图景来理解。特别地，我们揭示了自旋扩 散的几个反常特点，其与从简单的漂移-扩散模型和直接的非均匀扩展图景所得到的 十分不同。除了研究D'wkonov-Perel '自旋弛豫机制之外，我们 也研究了本征错中 的Elliott-Yafet自旋弛豫机制。在第4章中,我们

6、研究了本征错中热电子效应对由电学方法注入的电子自旋 弛豫的影响，并将其与当时在自旋注入构型下的输运实验EPhys. Rev. Lett. Ill, 257204 (2013)进行了比较。我们的计算结果与实验结果符 合得 很好。我们揭示在低温下，当存在即使很弱的电场时，ElHott-Yefet自旋弛豫能 够被显著加快。这是因为错中电声相互作用非常弱，从而电场能够在体系中诱导出 明显的质心漂移。这能够解释实验观测和前面理论计算Phys. Rev. B 86,085202(2012)之间 的分歧:低温时，前面理论计算比实验结果要大约两个量级。第二部分，从第5章到第8-空穴在单章，我们集中研究单层和双

7、层过渡金属硫属化物MX2(M=Mo, W：X=S, S中由于电子交换相互作用引起的谷去极化动力学及激子的谷霍尔效应。在第 章中，我们综述了在最近实现的单层和双层MX2中谷动力学的实验和理论进展。层MX2中，我们分别介绍了与自由载流子、激子和荷电激子有关的谷动力学。特别地，我们综述了最近实现谷极化的产生及探测其弛豫的丰富的实验。层MX2中，我们强调了实验中呈现出的激子动力学的新特点。我们也介绍了过渡金属硫属化物异质结及其电荷转移动力学。我们在第6章推导了单层MoS2中的电子-空穴交换相互作用，接着研究了由该交换相互作用引起的谷去极化动力学。我们发现长程和短程交换相互作用两者都能够引起谷间和谷内发

8、光激子的转变。但是由于价带大的能量劈裂，谷内发光激子转变通道几乎禁戒。从而，由于Maialle-Silva-Sham 机制Phys. Rev. B 47,15776(1993),由交换相互作用提供 的谷间通道能够有效地引起谷去极化。当仅考虑交换相互作用的长程部分时，我们的计 算结果与最近的谷极化实验，包括时间分辨的谷极化测量、泵浦-探测实验和稳态 的光学荧光极化测量相吻合。进一步，受最近Zhu等人的光学荧光实验PNAS 111, 11606(2014)的启发，在第7章中，我们研究了双层WS冲光激发谱和光学荧光去极化动力学。我们提出了对光 学荧光谱的一种不同理解。考虑到双层WS冲同时存在层内激子

9、和电荷 转移激子，我们 发现由于空穴的层间跃迁，两者的相互叠加可以构成准分子(excimeiO态。相应地，实 验中观察到的四种光学激发分别计算为A-电荷转移激子,A' -excimer, B ' -excimer和B-层内激子。这些态与实验所推测的r -谷非直接激子，trion,A-激子和B-激子不同。我们接着推导了双层WS冲电子-空穴交换相互作用，并且研究了其引起的光学荧光去极化动 力学。反常地，我们发现演化过程中总是存在一个为初始极化一半的剩余光学荧光 极化，其持续无穷长的时间并且对初始的能量展宽和动量散射强度 非常皮实。这一 大的稳态光学荧光极化意味着光学荧光弛豫时间非常

10、长，从而可能是Zhu等人在双 层WS2中所观察到的接近100%反常大的光学荧光极化的原因。我们进一步看到在单层和双层MX2中，上述电子-空穴交换相互作用是非常强的,其能够有效地改变激子的能谱。这样，在第8章中，我们揭示了激子能谱的修正对单 层和双层MoS2中谷去极化动力学的影响。考虑了交换相互作用对激子 能谱的修正, 我们也能够研究由交换相互作用引起的激子的谷霍尔效应。对于谷 去极化动力学，在 单层MoS2中，我们发现在强散射区，通常强散射区中的运动致窄图景不再正确，因 为一个新的谷去极化通道被打开。对于激子的谷霍尔效应，在单层和双层MoS2中,考虑到施加的单轴应变所引起的平衡态的漂移，我们发

11、现交换相互作用能够引起谷/光学荧光霍尔流。特别地，我们 揭示了谷霍尔电导对无序势强度的依赖。在强散射区，随着无序势强度的增力口，谷霍 尔电导减少；而在弱散射区，谷霍尔电导饱和为一个常数。由于不受泡利 阻塞效应，这一常数值町以比费米系统中的远大。9章中，我第三部分，从第9章到第14章，我们分别在弱和强自旋轨道耦合极限下，研究了超导态半导体量子阱中准粒子和凝聚体的自旋及电荷动力学。在第 们介绍了超导金属中的准经典动力学方程，其中包括Gor* kov方程，Eilenberger方程,Usadel方程和Ginzburg-Landau方程。所有这些方程都可以用非平衡格林函数 方法建立起来。然后，我们介绍

12、了三态超导电性及其在不同材料系统中的可能实现, 其中包括3He超流体及非常规超导体Sr2RuO4具有界面自旋轨道耦合的常规超导体， 非中心反演对称超导体，和常规超导体与铁磁体界面。在第10章中,我们首先介绍常规超导体中电荷失衡和自旋失衡的概念，以及 实验和理论所揭示的电荷失衡及自旋失衡的动力学，包括其产生与弛豫。然后我们综述了 理论和实验对常规超导体中线性及非线性光学响应的研究，其中重点介绍超导体对THz光场的响应，其光子能量在超导能隙附近。在非线性光学响应中，我们介绍了超导体中Nambu-Goldstone模，Higgs模以及Leggett模的概念及其在光学激发过程中 的动力学。在第11章中

13、，在弱自旋轨道耦合极限下，在近邻于s-波超导体的GaAs（IOO）量子阱中，我们研究了超流速度可调控的准粒子态下的准粒子自旋弛豫。我们阐明GaAs（lOO）量子阱中准粒子态可用超流速度进行调控。在超流速度 驱动的准粒子态中，我们发现准粒子的费米面由两个弧所组成（称为费米弧）,其 分别由 类电子和类空穴分支所贡献。当费米弧出现后，当超导序参量趋于零时，我们发现D* yakonov-Perel '自旋弛豫是反常的。这是因为此时支间散射是禁戒的。当与准电子和准空穴湮灭相关的凝聚过程很慢时，这意味着类电子和类空穴费米弧是独立的。接着，费米弧的非闭合结构使得由自旋轨道耦合提供的有效磁场的角 度平

14、均不为零。这一非零值可作为一个有效的塞曼场。即使在强散射区，这一有效塞 曼场也能够引起自旋振荡。另外，在强散射区，我们发现费米弧的非闭合结构也导致自旋弛豫对动量散射的不敏感，这与通常的运动致窄情形非常不同。我们接着在第12章中运用准粒子近 似下规范不变的光学Bloch方程研究弱自旋轨道耦合的s-波超导态量子阱中准粒子和 凝聚体对THz光场的响应。特别地，在Bloch方程中，不仅准粒子动力 学的微观描述可 以实现，凝聚体动力学的影响也能够包括在内，其中超流速度和有效化学势自然地 出现。我们揭示超流速度自身能够对准粒子泵浦产生贡献（泵浦效应），而其变化 率可贡献驱动场从而对准粒子产生驱动（驱动效应

15、）。我们发现只要驱动出的超导动量比费米动量来得小，以两倍光场频率振荡的Higgs模主要是由驱动效应而不是泵浦效应所激发的。这与文献中用到的Liouv订le方程或者Bloch方程所得到的结论非常不同，其中驱动效应对反常关联的影响被忽 略而仅仅泵浦效应被考虑了。更进一步，在规范不变的光学Bloch方程中，我们基于电荷的两分量模型自恰地考虑了电荷中性条件。由此，准粒子的电荷失衡能够引起凝 聚体有效化学势的涨落。我们预言在光学过程中，泵浦效应和驱动效应两者都能够诱导准粒子的电荷 失衡，从而导致化学势的涨落。进一步，我们发现即使在由杂质引起的弹性散射下这一 化学势的涨落也会直接提供电荷失衡的弛豫通道。这

16、与以前文献中的理解非常不 同。以前研究认为在各向同性的s-波超导体中，弹性散射不能够引起任何电荷失衡的 弛豫。在强自旋轨道耦合极限下，作为下面研究动力学的基础，在第13章中，我们 首先阐明在近邻于s-波超导体的强自旋轨道耦合的（100）量子阱中，具有三态序 参量的 超导态能够实现。我们揭示考虑到在量子阱中由近邻效应所提供的单态序 参量，不仅 三态库伯配对能由自旋轨道耦合诱导出来，三态序参量也能由排斥的电子-电子库仑 相互作用诱导出来。具体地说，我们推导了有效的Bogoliubov-deGennes方程，其中 由有效的电子-电子相互作用诱导的自能能够 贡献单态和三态序参量。对于三态序参 量，其为P-波（PX ± ipy-型）对称性，并且 其d-矢量平行于由自旋轨道耦合贡献的 有效磁场。我们在InSb （100）量子阱中的数值计算表明，在适当的电子浓度下,单态和三态序参量的模值甚至可以互相比拟，从而它们可以在实验上进行区分。最后，我 们介绍这里所预言的（s+p）-波超导态量子阱可以作为实现helical拓扑超导体的 平台。基于上述对（s+p）-波超导态InSb量子阱的平衡态的理解，在第14章中，我们 进一步运用规范不变的光学Bloch方程研究其中准粒子和凝聚体对THz光场