半导体二维电子体系自旋退相干与自旋输运实验研究：自旋－轨道耦合效应

This proposal will focus on the ultrafast magneto-optical studies of electron spin relaxation and dephasing as well as spin transport dynamics via manipulation of spin-orbit coupling in typical III-V group two dimensional electron gas system, which has potential device application. In particular, the electron spin dephasing and transport dynamics via manipulation of spin-orbit coupling in high index-grown [111] GaAs quantum wells will be experimentally investigated. A series of GaAs quantum well structures grown with molecular beam epitaxy along [100], [110] and [111] will be theoretically designed with systematical electron energy engineering (such as different crystal direction; different well/barrier width; barrier height; modulation doping, etc), combining additional control with external electric /magnetic field and gating so on. Through the experimental studies of electron spin relaxation and dephasing as well as spin transport dynamics, the relative and absolute strength of Dresselhaus and Rashba spin-orbit coupling will be experimentally determined as function of electron energy band, structural symmetry, external fields, temperature and electron interactions so on. The ultimate goal of this proposal is to experimentally fulfill the practical methods, and at the meantime, reveal the fundamental physics for manipulating spin dephasing and transport dynamics via spin-orbit coupling in semiconductor two dimensional electron systems.

本项目选取具有器件应用潜能的III-V族半导体二维电子气体系，利用时间分辨超快磁光光谱技术，系统研究半导体二维电子体系中自旋弛豫、退相干以及自旋输运过程受自旋－轨道耦合效应调控的物理规律，并特别研究高指数面[111]晶向GaAs衬底上生长的GaAs量子阱二维电子与自旋的退相干与输运过程研究及其自旋－轨道耦合调控。本项目将设计一系列分子束外延生长在[100]、[110]、[111]不同晶向GaAs衬底上的GaAs量子阱结构，对受限电子能级进行系统设计与剪裁（如阱宽、势垒高度、调制掺杂等的系统变化），结合外加电场、磁场、栅压等不同手段，通过自旋退相干与自旋输运动力学过程的实验研究，实验测量Dresselhaus和Rashba自旋－轨道耦合相对与绝对强度随电子能带剪裁、空间结构对称性、外场、温度、载流子相互作用的变化，揭示并实现利用自旋－轨道耦合效应调控自旋相干演化与输运动力学的物理规律与实验方

自旋－轨道耦合效应是二维半导体材料体系中自旋弛豫与退相干过程的主要机制，因而也是调控该材料体系中自旋相干演化动力学与输运过程的重要手段。揭示并实现利用自旋－轨道耦合效应调控自旋相干演化与输运动力学的物理规律与实验方案，对半导体材料中自旋调控及其自旋电子器件的研制具有重要意义。本项目通过III-V族半导体低维量子结构电子能带的设计剪裁、以及外场、温度、载流子相互作用等自旋－轨道耦合效应的调控，研究并揭示以III-V族半导体量子阱为代表的二维电子体系中自旋－轨道耦合作用的物理规律与调控原理，发现自旋弛豫、退相干以及输运调控的新方案与新途径。为此，我们利用时间分辨磁光克尔旋转技术、时间分辨荧光光谱以及圆偏光电流技术，围绕二维半导体材料中自旋－轨道耦合效应调控及其相关新奇物理现象，对自旋弛豫动力学与自旋相关输运过程开展了实验研究。研究了Dresselhaus 和Rashba 自旋－轨道耦合相对强度随低维半导体材料电子能带设计、空间结构对称性、外场、温度、载流子相互作用的变化。对比研究分析了分子束外延[111]与[001]方向晶向生长的GaAs量子阱中自旋退相干时间的各向异性及其物理起源，研究分析了两种不同空间结构对称性材料中由于自旋－轨道耦合有效磁场分布的不同，所导致的随温度和激发载流子浓度不同的自旋退相干各向异性。利用光学手段实现类似“栅压”对载流子浓度及其自旋弛豫各向异性的有效调控，为调控Dresselhaus 和Rashba 自旋－轨道耦合有效场的相对大小提供了一种简单易行的方法。研究了具有强的自旋－轨道耦合效应的窄禁带半导体二维量子结构InAs/GaSb量子阱中的光生载流子寿命及自旋输运过程、以及InAs高迁移率二维电子气中自旋相关的圆偏光电流响应。发现了与InAs二维电子气中自旋－轨道耦合有效场对称性相关的光螺旋度依赖的光电流响应，该光电流响应可以由外加平面驱动电流有效调控。本项目的执行有助于进一步理解半导体自旋电子材料中自旋－轨道耦合效应有效调控自旋退相干过程和自旋相关光电流的物理实现。