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第1章 半导体和自旋物理的基础知识1

1.1 历史背景1

1.2 自旋相互作用2

1.2.1 泡利原理2

1.2.2 交换相互作用2

1.2.3 自旋-轨道相互作用2

1.2.4 与原子核自旋的超精细相互作用3

1.2.5 磁相互作用4

1.3 半导体物理学基础&.4

1.3.1 晶体中的电子能谱4

1.3.2 电子和空穴的有效质量4

1.3.3 有效质量近似5

1.3.4 杂质的作用5

1.3.5 激子6

1.3.6 价带的结构，轻空穴和重空穴7

1.3.7 GaAs的能带结构9

1.3.8 光生载流子以及荧光9

1.3.9 光学跃迁中的角动量守恒11

1.3.10 低维半导体结构11

1.4 半导体中的自旋物理学：概览13

1.4.1 光学自旋取向与探测13

1.4.2 自旋弛豫14

1.4.3 Hanle效应18

1.4.4 自旋流和电流的相互转化19

1.4.5 电子与原子核系统之间的相互作用20

1.5 本书内容概览21

参考文献23

第2章 量子阱中自由载流子的自旋动力学26

2.1 导论26

2.2 自旋动力学的光学测量26

2.3 自由电子的自旋弛豫机制28

2.4 体材料半导体中的自旋弛豫31

2.5 ［001］取向量子阱中的电子自旋弛豫33

2.5.1 对称的［001］取向的量子阱33

2.5.2 ［001］取向量子阱中的结构反演不对称性36

2.5.3 量子阱中的自然界面不对称性38

2.5.4 二维电子气中的振荡自旋动力学40

2.6 体材料和量子阱中自由空穴的自旋动力学42

2.7 量子阱中自旋动力学的设计和控制44

2.8 结论46

参考文献47

第3章 半导体量子阱中的激子自旋动力学51

3.1 二维激子的精细结构51

3.1.1 短程电子-空穴交换相互作用52

3.1.2 电子-空穴的长程交换相互作用53

3.2 量子阱中激子自旋的光学取向53

3.3 量子阱中的激子自旋动力学55

3.3.1 量子阱中的激子形成56

3.3.2 激子中空穴的自旋弛豫57

3.3.3 激子中电子的自旋弛豫59

3.3.4 激子自旋弛豫机制61

3.4 量子阱中的激子交换能和g因子67

3.4.1 用连续光磁荧光谱来测量激子的交换能和g因子67

3.4.2 激子的自旋拍70

3.5 Ⅱ类量子阱中的激子自旋动力学74

3.6 高密度激子系统中的自旋动力学75

参考文献79

第4章 半导体量子点中的激子自旋动力学83

4.1 导论83

4.2 量子点中的电子-空穴复合体84

4.2.1 对单粒子图像的库仑修正84

4.2.2 中性激子的精细结构85

4.3 无外加磁场时中性量子点中的激子自旋动力学86

4.3.1 共振激发下的激子自旋动力学87

4.3.2 激子自旋的量子拍：各向异性的交换相互作用的影响88

4.4 有外磁场时中性量子点中的激子自旋动力学89

4.4.1 单量子点光谱中塞曼效应与各向异性相互作用导致的劈裂之间的竞争89

4.4.2 外磁场下激子自旋的量子拍91

4.5 荷电激子复合体：无磁场时的激子自旋动力学92

4.5.1 荷电激子的形成：掺杂结构和电荷可调结构93

4.5.2 X＋和 X－激子的精细结构和偏振93

4.5.3 带负电的激子复合体Xn－的自旋动力学95

4.5.4 束缚电子的自旋记忆96

4.6 带电荷的激子复合体：外磁场中的自旋动力学97

4.6.1 纵向磁场中带正电激子的电子自旋极化97

4.6.2 垂直磁场中带正电的激子的电子自旋相干性99

4.7 结论100

参考文献100

第5章 时间自旋分辨动力学和自旋噪声谱106

5.1 导论106

5.2 时间分辨和偏振分辨的光致荧光谱107

5.2.1 实验技术107

5.2.2 实验例证Ⅰ：（110）量子阱中的自旋弛豫109

5.2.3 实验例证Ⅱ：半导体中耦合的电子和空穴自旋的相干动力学111

5.2.4 光致荧光和自旋-光电器件112

5.3 时间分辨法拉第／克尔旋转113

5.3.1 实验装置114

5.3.2 实验例证：自旋放大116

5.4 自旋噪声谱117

5.5 n-GaAs中的自旋噪声测量119

5.6 结论120

参考文献121

第6章 载流子的相干自旋动力学123

6.1 导论123

6.1.1 自旋相干性和自旋退相位时间123

6.1.2 用光学方法产生自旋相干的载流子124

6.1.3 实验技术125

6.2 量子阱中的自旋相干性127

6.2.1 电子自旋相干性128

6.2.2 空穴自旋相干性138

6.3 带有单个电荷的量子点中的自旋相干性140

6.3.1 用法拉第旋转来探测激子和电子的自旋拍频140

6.3.2 电子自旋相干性的产生143

6.3.3 量子点系综中自旋相干性的模式锁定146

6.3.4 原子核诱导的自旋相干性的频率汇集155

6.4 结论160

参考文献160

第7章 硅中受限电子的自旋性质164

7.1 导论164

7.2 硅量子阱中的自旋轨道效应166

7.3 Si/SiGe量子阱中导带电子的自旋弛豫170

73.1 导带电子的自旋弛豫机制170

7.3.2 Si/SiGe中二维电子气的线宽和纵向弛豫时间171

7.3.3 退相位和纵向自旋弛豫175

7.3.4 与实验的比较177

7.4 电流诱导的自旋-轨道场178

7.5 交流电流引起的电子自旋共振180

7.5.1 电偶极矩的自旋激发和磁偶极矩的自旋激发180

7.5.2 二维Si/SiGe结构中的电子自旋共振信号的强度——实验结果181

7.5.3 电子自旋共振的电流诱导激发和探测的模型82

7.5.4 功率吸收和线型183

7.6 平面束缚下的自旋弛豫184

7.6.1 浅施主杂质185

7.6.2 从二维电子气到量子点186

7.6.3 硅量子点中的自旋弛豫和退相位187

7.7 结论188

参考文献189

第8章 自旋霍尔效应193

8.1 背景：分子气体中的磁输运193

8.2 唯象理论：具有反演对称性的情形194

8.2.1 基本知识194

8.2.2 自旋流和电流的耦合195

8.2.3 唯象方程195

8.2.4 自旋-电荷耦合的物理结果196

8.2.5 相关的问题199

8.2.6 自旋-轨道相互作用的二阶项的电效应200

8.3 唯象理论：不具有反演对称性的情形202

8.4 微观机制203

8.4.1 电子散射的自旋非对称性204

8.4.2 侧跳机制206

8.4.3 本征机制210

8.5 实验213

8.5.1 自旋霍尔效应的首次观测214

8.5.2 二维空穴的自旋霍尔效应214

8.5.3 二维电子的自旋霍尔效应215

8.5.4 金属中逆自旋霍尔效应的观测215

8.5.5 半导体中的室温自旋霍尔效应217

8.6 结论217

附录 推广的运动方程217

参考文献219

第9章 自旋光电流效应222

9.1 导论：唯象描述222

9.1.1 圆偏振光电流效应222

9.1.2 自旋-电流效应和逆自旋-电流效应223

9.1.3 纯粹的自旋光电流223

9.1.4 磁致光电流效应224

9.2 圆偏振光电流效应224

9.2.1 历史背景224

9.2.2 基本实验224

9.2.3 子带间跃迁的微观模型226

9.2.4 与k线性项的关系226

9.2.5 子带间跃迁导致的圆偏振光电流效应227

9.2.6 带间光学跃迁229

9.2.7 对自旋敏感的漂白230

9.3 自旋-电流效应232

9.3.1 微观机制233

9.3.2 Hanle效应引起的自旋光电流235

9.3.3 零磁场下的自旋-电流效应236

9.3.4 Rashba/Dresselhaus自旋劈裂比值的确定237

9.4 逆自旋-电流效应238

9.4.1 通过自旋翻转引起的电流诱导极化239

9.4.2 进动的机制240

9.4.3 电流诱导的自旋法拉第旋转241

9.4.4 电流诱导的荧光偏振242

9.5 纯自旋流243

9.5.1 线偏振光注入的纯自旋流243

9.5.2 依赖于自旋的散射导致的纯自旋流246

9.6 总结248

参考文献248

第10章 自旋注入253

10.1 导论253

10.2 自旋注入和自旋堆积的理论模型255

10.2.1 启发性的介绍255

10.2.2 微观输运模型258

10.2.3 自旋输运的热动力学理论259

10.2.4 Hanle效应264

10.3 金属中的自旋注入实验264

10.4 半导体中的自旋注入267

10.4.1 光学实验268

10.4.2 输运实验271

10.5 相关主题275

参考文献276

第11章 动态原子核极化与原子核场279

11.1 半导体的电子-原子核自旋系统：有效场和自旋进动频率的特征值280

11.1.1 自旋能级的塞曼劈裂280

11.1.2 四极矩相互作用280

11.1.3 超精细相互作用281

11.1.4 原子核偶极-偶极相互作用282

11.2 原子核引起的电子自旋弛豫：从短关联时间到长关联时间283

11.3 原子核自旋的动态极化285

11.3.1 电子自旋在Overhauser场中的劈裂286

11.3.2 电子-原子核自旋系统在法拉第构型中的稳态288

11.3.3 局域电子导致的动力学极化288

11.3.4 原子核自旋系统的冷却290

11.3.5 中性量子点中由激子引起的原子核极化291

11.3.6 在隧穿耦合的量子点中由电流诱导的动态极化292

11.3.7 原子核自旋的自极化293

11.4 倾斜磁场中的原子核动态极化294

11.4.1 电子自旋拉莫尔进动295

11.4.2 倾斜磁场中电子-原子核自旋系统的极化296

11.4.3 具有各向异性的g因子和自旋弛豫时间的结构中的电子-原子核自旋系统的双稳态298

11.5 原子核磁共振的光学检测和光学诱导299

11.5.1 光学检测原子核磁共振299

11.5.2 多自旋和多量子态的核磁共振NMR300

11.5.3 光学诱导核磁共振NMR301

11.6 量子点的电子-原子核自旋系统中的自旋守恒303

11.6.1 自旋方向保持不变的时间尺度和自旋温度303

11.6.2 “自旋记忆”实验的解释304

11.7 结论308

参考文献308

第12章 量子霍尔效应区内的原子核自旋与电子自旋的相互作用314

12.1 导论314

12.1.1 量子霍尔效应简介314

12.1.2 量子霍尔效应中的电子自旋现象319

12.1.3 GaAs基二维电子系统中的原子核自旋322

12.2 实验技术325

12.3 量子霍尔区的原子核自旋现象326

12.3.1 无序的影响327

12.3.2 边缘沟道的散射328

12.3.3 斯格米子331

12.3.4 v＝2/3处的原子核-电子自旋相互作用333

12.3.5 在v＝2/3处基于电阻测量的核磁共振335

12.3.6 v～1/2处的组合费米子的费米海342

12.3.7 其他情形345

12.4 总结和展望346

参考文献347

第13章 稀磁性半导体的基本物理学和光学性质352

13.1 导论352

13.2 Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族稀磁性半导体的能带结构352

13.3 稀磁性半导体中的交换相互作用354

13.3.1 s,p-d交换相互作用354

13.3.2 d-d交换相互作用356

13.4 磁性质358

13.4.1 非掺杂的稀磁性半导体358

13.4.2 载流子诱导的铁磁性361

13.5 基本光学性质364

13.5.1 巨塞曼效应364

13.5.2 用光学方法检测Ⅱ-Ⅵ族稀磁性半导体中的铁磁性369

13.5.3 量子点371

13.5.4 自旋光发射二极管372

13.5.5 Ⅲ-Ⅴ族稀磁性半导体373

13.6 自旋动力学375

13.6.1 s-d交换相互作用引起的电子自旋弛豫375

13.6.2 Mn的自旋弛豫376

13.6.3 CdMnTe量子阱中的集体自旋激发379

13.7 先进的时间分辨光学实验382

13.7.1 载流子自旋动力学382

13.7.2 磁化动力学383

参考文献387

译后记393

《半导体科学与技术丛书》已出版书目395