GaAs半导体及其量子阱中电子自旋输运动力学的飞秒吸收光谱研究

Spin transport is one of important fundamental issues in semiconductor spintronics. Transport dynamics determines the speed and size of spintronic devices, and hence their applicability. In this project, three kinds of new absorption saturation-based measurement techniques, their models and experiemntal setups will be developed. Those techniques have the advantages including high detection sensitivity, simple setup and operation, and the ability to simultaneously measure spin diffusion coefficient and mobility. They are also used to study the basic physical issues, such as spin Coulomb drag effect and anisotropic spin transport dyanmics in (001)- and (110)-grown GaAs and quantum wells, and their dependences on excited electron density, the degree of spin polarization, temperature and a magnetic field etc so that their physical origin can be understood and basic data can be collected and provided for the control of spin transport dynamics and design of large-scale transport spintronic devices. Meanwhile, it is also expected that some new spin transport phenomena can be found by means of our high sensitivity detection techniques. The achievements obtained are important both in science and in applications.

自旋输运是半导体自旋电子学中的重要基本问题之一。输运动力学决定了自旋电子器件的速度和尺度，从而决定其实用价值。本项目拟发展三种基于吸收饱和效应测量的高灵敏度的、实验装置和操作简单的、能同时直接测量自旋扩散系数和迁移率的自旋输运动力学实验测试新技术、理论模型及实验装置，并用于（001）和（110）GaAs及其量子阱中自旋库仑拖拽效应和自旋输运动力学各向异性等基本物理问题及其电子浓度、自旋极化度、温度和磁场强度等依赖性研究。弄清这些自旋输运动力学中的基本物理问题的物理起源，为实现自旋输运动力学的调控和大尺度自旋输运自旋电子器件设计提供基础数据。同时，基于我们的高灵敏度实验探测新技术，期待发现新的自旋输运相关现象。研究成果既具有重要科学意义，又具有重大的实用价值。

自旋输运是半导体自旋电子学中的重要基本问题之一。输运动力学决定了自旋电子器件的速度和尺度，从而决定其实用价值。因而开展自旋输运动力学中的基本问题研究，弄清它们的起源，既有重要科学意义，又有重要应用价值。本项目发展了三种基于吸收饱和效应的高灵敏度的、实验装置和操作简单的自旋输运动力学实验测试新技术及相应的理论解析模型与实验装置，并应用于（001）和（110）GaAs及其量子阱中自旋输运动力学研究，探索自旋库仑拖拽效应的物理起源；发现（001）GaAs薄膜及其量子阱中自旋扩散系数随激发电子浓度增加而增大，而（110）GaAs量子阱中自旋扩散系数随激发电子浓度增加而减小。自旋扩散系数随激发电子浓度增加而增大，明显与自旋库仑拖拽效应的相反自旋电子间库仑散射起因不一致；相反，我们的研究结果显示自旋库仑拖拽效应可能与自旋弛豫机制有关，正如（110）GaAs量子阱中自旋扩散系数随激发电子浓度增加而减小所显示的那样。研究了（001）GaAs量子阱中自旋弛豫与输运动力学的激发电子浓度和温度依赖性以及输运动力学随输运方向的变化，发现仅在某些特定激发电子浓度和晶格温度组合时，能观察到自旋扩散长度随输运方向趋近[-110]而略微增加。而在其它温度和激发电子浓度下，电子自旋扩散长度并不明显随输运方向变化。分析样品参数表明，可能是目前样品中Dresselhaus和Rashba SO耦合强度差别太大。有待后续设计Dresselhaus和Rashba SO耦合强度接近的样品，进一步开展研究。同时，追踪了部分相关的国际前沿研究热点。研究了铁磁薄膜中自旋波超快动力学和光感应超快退磁化动力学，过渡金属二硫化物和石墨烯二维薄膜中谷自旋弛豫动力学和电荷输运动力学等。取得了超计划的研究成果，发表研究论文22篇，申请发明专利1项，获授权发明专利3项。培养博士毕业生2名，硕士毕业生6名，博士后出站1名。