窄禁带半导体自旋光电效应的理论研究

自旋光电效应是源于半导体自旋轨道耦合的一系列光生电流和自旋流的效应，其特征是光生电流和自旋流密切依赖于入射光的旋光方向和材料的自旋轨道耦合。目前，自旋光电效应实验已被证实为研究材料自旋轨道耦合，自旋弛豫以及晶体对称性的有力工具。但是过去的自旋光电效应理论基于简化的能带模型，不适用于导带-价带带间耦合强烈、具有反常自旋轨道耦合行为的窄禁带半导体。本项目拟基于多带有效质量模型，严格计入强导带-价带耦合、非抛物线能带、非线性Rashba自旋轨道耦合等窄禁带半导体的特有性质，发展更细致的自旋光电效应理论，并将之用于研究窄禁带半导体，特别是HgTe/CdTe,InAs/GaSb等可能出现反转带隙和量子自旋霍尔效应等奇特量子效应的半导体体系，同时进一步研究外电场，磁场，应变对自旋光电流的影响和调控。本项目将丰富窄禁带半导体的实验分析手段，有助于窄禁带半导体新奇物性的探知和应用。

在本项目执行期间，我们主要研究了强自旋轨道耦合系统，如窄禁带半导体和Dirac电子系统中的自旋光电效应及自旋相关的输运性质，获得的主要成果有：（1）我们结合多带 k.p 有效质量模型和密度矩阵运动方程，发展了一套包含更多能带细节的自旋光电流计算方法。我们详细分析了HgTe/HgCdTe量子阱的圆偏振光电流微观起源，发现自旋依赖的光电流来源于斜入射圆偏振光对自旋轨道耦合等效磁场平行和反平行于面内光角动量的电子态的跃迁几率不同，造成了密度矩阵在k空间的不对称分布和电流的产生。计算发现对能带严重反转的HgTe量子阱，由于能带的畸变使得特定能量范围的光电流显著增强。（2）我们研究了三维拓扑绝缘体表面上电-磁势垒的自旋依赖隧穿，发现电子的传输行为依赖于入射电子的波矢和能量，通过调节电-磁势垒可以控制拓扑绝缘体表面态电子的传输行为和自旋取向。（3）我们研究了圆柱形拓扑绝缘体Bi2Se3量子线上的表面态和持续流，发现表面态成环状Bi2Se3量子线表面附近，而Bi2Se3量子线的持续电流和持续自旋流随磁通变化而振荡。（4）我们利用Floquet散射矩阵方法研究了单层石墨烯中由一系列时间周期势驱动的电荷抽运，我们发现有相位延迟一对周期性振荡势垒会破坏时间反演对称性，导致透射系数的各向异性，产生非零的抽运电流。至今我们已经在国际期刊上发表论文7篇，完成了本项目的预期目标。