半导体和半导体微结构中自旋相关的新奇效应

Based on the spin-orbit coupling and quantum confined effect in semiconductors, the present project will investigate the spin-related novel effects in semiconductors and semiconductor microstructures theoretically, including the helical edge states as well as the optical effects of pure spin currents. In particular, we will calculate and analyze the helical edge states as well as the physics in HgTe/CdTe quantum wells carefully, and study the pure spin currents composed of the edge helical states. We will explore the possible helical Dirac-like state in quasi-one-dimensional quantum wire in the presence of external fields, and study the transport through a quantum dot coupled to Majorana Fermions in 1D wire. We will also study the optical measurement of pure spin currents in 2D electron gas, such as the Faraday rotation and nonlinear optics.These investigations may give some insights into the spintronics.

本项目将围绕半导体及半导体微结构中与电子自旋相关的新奇物理效应进行下列两方面理论研究：(1) 由自旋轨道耦合导致能带拓扑特性改变而引起的新奇自旋物理，包括研究窄禁带半导体HgTe/CdTe量子阱构成的二维拓扑绝缘体中的螺旋边缘态，边缘或表面螺旋态构成的纯自旋流的探测；一维半导体量子线在外场下存在Dirac螺旋态的可能性；半导体量子点与Majorana费米子态耦合对于输运的影响。（2）半导体中自旋轨道耦合导致的光与自旋的间接相互作用，包括研究直接带隙半导体二维系统的纯自旋流的Faraday旋转、非线性光学效应，及其探测和操控；强THz 场下半导体量子阱中激子THz高阶光子伴带偏振的方向性。预期在上述问题取得的成果，学术上具有创新性，也许对自旋电子学的发展也有潜在的重要意义。

本项目围绕拓扑绝缘体及与电子自旋相关的物理现象中若干理论问题开展研究。对于拓扑绝缘体，我们提出和研究了一些新型的可以通过外加电场调控的拓扑绝缘体，如二维狄拉克半金属(LaO)2(SbSe2)2，其八个狄拉克锥的物理性质可以通过外加门电压调控；具有双钙钛矿结构的反铁磁材料Sr2FeOsO6二维薄膜，可通过外电场产生能带翻转从而实现量子反常霍尔效应。我们提出和发展了一个普适的拓扑晶体绝缘体的分类方法，可用来预言和搜寻新型的非平庸的拓扑晶体绝缘体。我们进一步探索了拓扑绝缘体在热电器件应用的前景，还研究了强THz场中的半导体光激发高阶THz伴带与能带Berry相位的关系。在本基金的支持下,本项目人员发表相关SCI学术论文4篇（含Nature子刊 1篇，PRB 2篇）。参加国际会议做邀请报告4次。毕业博士3位。