InSb量子阱中Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合作用参数的独立调控

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InSb是一种窄带隙材料,它具有大的朗德g因子,高室温迁移率和大的自旋轨道相互作用。鉴于其优越的材料特性,InSb体材料以及InSb量子阱器件在新电子器件[1][2]和磁阻器件[3][4]的研发以及自旋电子学[5]研究中都引起了人们的广泛关注。通常半导体异质结结构的自旋轨道耦合效应来自于两种不同的反演不对称性:结构反演不对称性和体反演不对称性。体反演不对称性是由于两种不同元素组成的闪锌矿结构化合物缺乏体对称中心引发的,由此导致的Dresselhaus自旋分裂,包括线性和立方平面波矢量项。结构反演不对称性是由于量子阱结构自身的不对称性导致的,由其得到的Rashba自旋分裂项在波矢中是线性的。通过调节Rashba和Dresselhaus效应的相对大小可以有效抑制自旋弛豫,从而延长自旋寿命,因此实现Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数的独立调控对自旋电子器件的研发和自旋电子学研究都具有重要意义。目前对自旋轨道耦合的调控已在多种低维异质结体系中实现。利用外加栅极电压改变量子阱器件的结构反演对称性是调控Rashba自旋轨道耦合作用的有效方法,但往往需要忽略Dresselhaus自旋轨道耦合作用。此外,理论上利用外加静水压力可以有效调节材料的带隙宽度进而通过改变带间相互作用以导致自旋轨道耦合作用的变化。然而,实验上在研究GaAs对称量子阱中自旋轨道相互作用的压力效应时,忽略Rashba自旋轨道耦合作用后,发现压力对Dresselhaus自旋轨道耦合作用的影响可以忽略,主要原因在于GaAs所具有的较宽的带隙宽度及较小的压力系数。有鉴于此,我们系统研究了具有可控栅极InSb量子阱中自旋轨道耦合作用的压力效应。本论文的关键点在于我们首次尝试了通过结合压力和栅极电压两种实验手段来分别实现InSb量子阱中Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数的独立调控。自旋轨道耦合参数通常可以从SdH振荡的节点中提取,但对于具有大朗德g因子的InSb很难使用这种方法,为此我们采用反弱局域化(WAL)磁输运测量来确定其自旋轨道耦合强度并利用Iordanskii,Lyanda-Geller,Pikus(ILP)模型对WAL数据进行拟合,得到不同压力和栅极电压条件下InSb量子阱的Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数。我们的实验结果清晰表明压力和栅极电压都是调控InSb量子阱自旋轨道耦合强度的有效手段,特别是结合压力和栅极电压两种手段我们首次实现了InSb量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数的独立调控,这是今后开展基于InSb材料自旋电子器件的研发和自旋相关实验研究的关键一步。
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