半导体量子点自旋弛豫和自旋量子拍的研究

论文摘要

在具有三维限制结构的量子点中传统的自旋弛豫机制受到抑制,自旋寿命变得很长,有可能将电子或空穴自旋作为量子比特应用于量子计算、量子加密和量子通信等,量子点中自旋相关物理特性的研究引起人们广泛的兴趣。本文主要是研究半导体单量子点中自旋相关特性,计算和分析了包括量子点能带结构,自旋-晶格相互作用引起的电子自旋弛豫,自旋-轨道作用下电子的自旋弛豫,明、暗激子态间的自旋量子拍,以及各向异性量子点电子的自旋弛豫等。具体内容包括：简要回顾了自旋电子学进展情况,包括在自旋极化的产生、磁阻效应和自旋弛豫及退相干等,着重介绍了自旋弛豫的四种机制即Elliott-Yafet（EY）机制、D’yakonov-Perel’（DP）机制、Bir-Aronov-Pikus（BAP）机制和超精细相互作用的机制等,它们对于量子点中电子自旋弛豫和激子自旋量子拍的研究有重要的参考意义。半导体能带结构可以方便地用k·p微扰法及有效质量理论来计算。在处理包含自旋轨道（SO）耦合项的哈密顿量时,将SO相互作用作为微扰项,态矢量{|nk0〉}可以用带边Bloch函数{|v0)}与自旋本征态|σ〉的乘积展开,运用二阶微扰理论将哈密顿对角化,得到相应的能谱以及有效质量。使用包络函数近似（EFA）的方法,可以求得在晶格常数的范围缓慢变化的电磁场中的电子及空穴态。在球形半导体量子点中,用计及六个价带和两个导带间的耦合的8带Luttinger-Kohn哈密顿表示,利用矩阵乘法代替波函数系数的求和,将8×8哈密顿矩阵可以展开为8N×8N,对角化有效质量哈密顿可以得到量子点的能谱。处理InAs量子点自旋-晶格相互作用哈密顿时,在适当条件下自旋-轨道耦合对自旋-声子弛豫的影响可以通过电子回旋张量gαβ（α,β=x,y,z）与真空张量g0δαβ之间的差异体现出来,通过在晶格坐标系和实验室坐标系间的变换以及对gαβ的对角化,哈密顿量得以简化。在参照相关的实验数据的基础上选取了多组gα（α=x,y,z）的值来计算自旋弛豫率,发现|gα|（α=x,y,z）的大小对r的值起决定性作用,并且gx,gy,gz间的相对差值对Γ值也有较大的影响。对于InAs量子点,存在“恰当的”尺寸（此时gα≈0）使得Γ值达到最小。考虑磁场方向n（θ,（?））对Γ的影响,发现改变磁场的入射角也可以得到相差数倍的自旋弛豫率。在GaAs和InAs单电子量子点哈密顿模型中,将自旋轨道SO相互作用作为微扰项,计算在Fock-Darwin本征函数下SO耦合作用的矩阵元,利用其对能级和波函数的二阶修正,并且考虑新的能级对g因子和有效质量m’的影响,最后计算得到在声子协助下电子的自旋弛豫率r的表达式。分析并比较了GaAs和InAs量子点中r对于限制势频率ω0、磁场B、温度T以及纵向高度z0等参量不同的依赖关系。利用InAs量子点自旋哈密顿模型,计算得到了含磁场B和g因子的激子能谱、相应的本征函数以及量子拍频表达式。作图分析了磁场方向和强度、各向异性的电子和空穴g因子等对量子拍振荡波形的影响。发现通常在磁场中δ0的作用不可忽略,即使在B=4T的强磁场只要θ≤30。时同样要考虑；量子拍的周期振荡在Agx=gex-gh,x=0.6时消失,因此倾斜磁场中能否观测到量子拍频信号,还与各向异性的电子和空穴g因子的匹配有关。在gex取某些特定值时量子拍频信号波形激烈震荡,但长时间考察时其总体仍有明显震荡周期。引入Schuh处理非平凡振子的代数方法,推导各向异性GaAs单电子量子点哈密顿的正则变换矩阵,得到在新的相空间本征函数下自旋轨道SO耦合作用的矩阵元,利用其对能级和波函数修正,最后计算得到在声子协助下量子点中电子的自旋弛豫率Γ1j。为了比较电子自旋各向异性的弛豫性质,引入Olendiski等人的方法将Γ1j拆分成两项的乘积即Γ1j（（?））=G1j（（?））Wj。分析与SO耦合相关的几何因子G1j（（?））对磁场倾斜角θ的变化关系,发现不同的磁场大小时在θ=π/2时G13（0）在B=1T时达到极大值,其余情况G,1j（0）均为极小值。研究了△Γ/Γ对磁场方位角（?）的依赖关系,发现在△Γ12/Γ和△Γ13/Γ形成两个峰值都偏离π/2的对称点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• §1.1 自旋电子学
• §1.2 自旋极化和磁阻效应
• §1.3 自旋弛豫和自旋退相干
• 1.3.1 Elliott-Yafet（EY）机制
• 1.3.2 D'yakonov-Perel'（DP）机制
• 1.3.3 Bir-Aronov-Pikus（BAP）机制
• 1.3.4 超精细相互作用的机制
• §1.4 本文的内容安排
• 第二章 量子点的能带结构
• §2.1 k·p微扰法及有效质量理论
• §2.2 自旋轨道（SO）耦合
• §2.3 包络函数近似（EFA）
• §2.4 量子点能级及波函数
• §2.5 本章小结
• 第三章 Inks量子点中的自旋-晶格弛豫的参量相关特征
• §3.1 固体中的自旋弛豫
• §3.2 自旋-晶格作用导致的弛豫率
• §3.3 InAs量子点电子的自旋弛豫
• §3.4 计算结果与分析
• §3.5 本章小结
• 第四章 量子点中自旋-轨道作用下的自旋弛豫
• §4.1 理论模型
• 4.1.1 系统哈密顿及Fock-Darwin能谱
• 4.1.2 Dresselhaus和Rashba自旋-轨道项
• 4.1.3 声子作用项
• 4.1.4 电子自旋弛豫率
• §4.2 GaAs量子点的自旋弛豫率
• 4.2.1 能级与能级差
• *和g因子'>4.2.2 电子有效质量m^*和g因子
• 4.2.3 自旋弛豫率Г的参量相关
• §4.3 InAs量子点的自旋弛豫率
• §4.4 本章小结
• 第五章 InAs量子点中自旋量子拍的相关特征
• §5.1 简介
• §5.2 自旋哈密顿
• §5.3 自旋量子拍
• §5.4 计算结果与讨论
• §5.5 本章小结
• 第六章 各向异性量子点自旋弛豫
• §6.1 引言
• §6.2 Schuh非平凡振子的数学处理
• §6.3 各向异性量子点自旋弛豫
• 6.3.1 哈密顿正则变换
• 6.3.2 自旋轨道耦合作用
• 6.3.3 各向异性自旋弛豫率
• §6.4 计算结果和分析
• §6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 附录A 二阶微扰下的本征能量和本征函数
• 参考文献
• 攻博期间发表论文
• 致谢