各向异性磁电阻物理机制的理论研究

最近，自旋轨道耦合系统中的各向异性磁电阻效应的研究成为了凝聚态物理领域的一个热点课题。相比于实验方面的广泛研究，理论上对其微观来源的理解还很片面，以致于不能很好地解释实验结果。因此，如何全面地理解这个效应的微观机制，成为目前理论研究亟待解决的问题。本项目将利用非平衡格林函数的理论方法来研究磁性材料中的各向异性磁电阻效应。我们将在扩散区域，研究能带结构机制、自旋轨道耦合机制以及载流子声子散射机制对各向异性磁电阻效应的数值与符号的影响。能带结构机制主要讨论非抛物效应；自旋轨道耦合机制包括内禀自旋轨道耦合以及由外电场、散射导致的外禀自旋轨道耦合；载流子声子散射机制主要讨论其在具有内禀或外禀自旋轨道耦合的系统中的不同的作用。我们的研究有助于全面地理解各向异性磁电阻的物理机制，从而定量地解释实验现象，也有助于利用此效应设计新型的自旋电子学器件。

随着自旋电子学的进一步发展，各向异性磁电阻以及新颖二维载流子系统中的磁输运性质成为了当前凝聚态领域的一个重要研究内容。本课题我们在扩散输运区域较为系统地研究了自旋轨道耦合的二维电子系统的各向异性磁电阻，拓扑绝缘体表面态、石墨烯等新颖低维系统中的磁阻效应。我们的研究涉及能带结构机制、自旋轨道耦合机制以及载流子声子散射机制等方面在各向异性磁电阻及其他磁输运量中的作用。特别地，在本课题的研究过程中，我们推广了平衡方程方法，使它能够应用于哈密顿量包含Pauli算符的情形。利用这个方法我们能够全面地研究各种机制的影响，甚至能够处理强磁场、强电场的情形。在经典和量子扩散区域，我们研究了弱电场和强电场下六角翘曲效应对三维拓扑绝缘体表面态中的电导和电流诱导的自旋极化的影响，预言了强场时会出现电流导致的平面外自旋极化。在具有线性色散关系及正的Zeeman劈裂的拓扑绝缘体表面，我们得到了正的、不饱和的线性磁电阻。这个效应在较高载流子密度、低迁移率的均匀系统中能够在一个很大的磁场范围内观察到。我们考察了石墨烯中非零偏置电流作用下的Shubnikov-de Hass振荡。随着电流密度的增加，振荡微分电阻存在相位翻转，与实验观察完全一致。我们预言了，由于电子加热效应的下降和电流直接效应的增强，表面光学声子会在较高直流偏置时引起微分电阻的二次翻转。我们还预言了低磁场和大电流时，悬挂石墨烯中的电流导致的磁阻振荡，同时这个效应会受到声学声子引起的磁声共振的影响。我们还研究了零偏置和非零偏置下石墨烯中表面光学声子引起的磁声共振效应。对于这种非等距的Landau能级，出现了特征性的峰位置的移动。进一步，我们还研究了Rashba自旋轨道耦合的二维电子系统中平面外各向异性磁电阻、磁阻振荡的直流电流效应。发现在远程带电的电子杂质散射下，即使两个能带都被占据，各向异性磁电导也会出现，与平面内结构对比，对于小的自旋轨道相互作用，它甚至可能是负的。有限直流偏置下，当带间贡献占主要地位时，Shubnikov-de Hass振荡周期加倍。随着电流密度的进一步增加，由于电流导致的磁阻振荡效应，振荡电阻出现相位翻转。