半导体材料体系电子自旋的调控和动力学研究

——自旋电子学的核心问题之一是自旋信息的有效传递，即自旋的输运过程。自旋扩散常数作为自旋输运中两个重要的物理量之一，需要实验测定。实验表明，自旋的输运过程受电子-电子之间的库仑相互作用影响非常大，从而降低自旋的扩散常数；另外， 自旋－轨道耦合对自旋的输运过程有很大影响。因此，我们在这个领域将开展的研究是：在自旋－轨道耦合系统中，特别是(110)GaAs/AlGaAs量子阱中，详细研究样品中晶体取向、载流子浓度以及温度等对自旋输运过程的影响，包括自旋扩散常数的测定。我们已经完成了具有国际水平的低温、强磁场下超快磁光光谱(时间分辨克尔/法拉第旋转)测量系统和低温下的瞬态自旋光栅激光光谱测量系统的建设，并且用于自旋－轨道耦合系统中的自旋动力学和自旋输运的实验研究。

1.利用自旋－轨道耦合控制自旋驰豫时间

在半导体二维结构中，室温下的自旋驰豫来自于自旋－轨道耦合产生的内建磁场，如果自旋取向平行于内建磁场的方向,自旋驰豫时间会大大增长。在(110)晶向生长的GaAs/AlGaAs对称量子阱中并且内建磁场方向平行于生长方向，因此在这种样品结构中有长的自旋寿命.我们与物理所MBE组和法国INSA XMarie教授小组合作，已经获得了室温下长的自旋寿命的样品(大于1ns)，相关成果已经发表在 Phys. Stat. Sol.(c) 4, 475 (2007) 和 Journal of Crystal Growth 301, 93 (2007)。

图 4-1

2.自旋输运的实验研究

我们建设了瞬态自旋光栅激光光谱测量系统，利用这种实验技术初步研究了(110)量子阱中自旋的输运过程，精确测定了室温下的自旋扩散系数，并且发现自旋扩散系数随着载流子浓度的增加而减小，当光生载流子的浓度高于1010/cm2时，自旋扩散系数趋于常数，部分结果发表在《物理学报》，系统的研究正在进行中。