量子阱中电场引起的重-轻空穴耦合和新型Rashba自旋-轨道耦合效应的理论研究

Spin-orbit coupling in low-dimensional semiconductor materials is one of the fascinating subjects of Spintronics. The hole states in conventional semiconductor quantum wells have attracted great attention due to their distinct physical properties such as strong spin-orbit coupling, long spin lifetime and so on. Despite much effort has been devoted to the study of hole spin splitting, the heavy-hole (HH) and light-hole (LH) coupling induced by electric field has been ignored. In this project, based on atomistic pseudopotential method combined with effective Hamiltonian, we will explore mechanisms of HH-LH coupling hence its contributions to spin splitting, and then study the effects of composition, the direction of crystal growth and strain on this coupling as well as splitting. Finally, we shall design the potential application principle to achieve engineering the spin of degree in quantum wells. Our research will provide a new path toward novel Rashba spin-orbital coupling stemming from HH-LH coupling, and discover their rich intriguing properties to promote the great potential for applications in Spintronics.

自旋-轨道耦合效应是低维半导体自旋电子学研究的重要内容之一。传统半导体量子阱中空穴态因具有自旋-轨道相互作用强、自旋态寿命长的特点吸引了广泛的研究兴趣。目前在空穴态自旋劈裂的研究方面已经有不少工作，然而这些研究忽略了外加电场引起的重-轻空穴耦合。本项目拟结合经验赝势理论计算，构建考虑重-轻空穴耦合的量子阱中空穴自旋劈裂模型，全面深入地理解重-轻空穴耦合机制和其对自旋劈裂的相对贡献；探讨不同组分、应变、生长方向等手段对量子阱中重-轻耦合强度进而自旋劈裂大小的影响；探索潜在的自旋半导体器件应用机理。通过该项目的基础研究，可以发现和认识新型Rashba自旋-轨道耦合效应，为未来信息技术中高速、低耗的新型半导体器件设计提供物理基础。

自旋-轨道耦合效应处于实现非磁性半导体自旋电子学的核心位置，在半导体自旋量子比特、自旋极化和输运等研究领域扮演着举足轻重的角色。本项目结合原子论计算方法和模型分析，围绕二维空穴气中的新型自旋轨道耦合和隐藏自旋极化效应这两个重要的物理问题进行系统研究，取得的主要成果包括：（1）理论上首次发现了锗/硅量子阱二维空穴气中线性直接Rashba自旋轨道耦合效应，并揭示其源自于界面引起的轻重空穴耦合，更新了人们对于空穴Rashba效应的认识；（2）分析由该线性Rashba自旋轨道耦合效应所驱动的空穴量子比特电偶极自旋共振调控的内在机制，定量地解释了实验上观测的结果；（3）深入研究了空穴Rashba自旋轨道耦合线性项和传统立方项对量子阱不同生长方向的依赖关系，发现[110]取向具有最强的线性Rashba自旋轨道耦合和[111]取向呈现纯的立方项Rashba自旋轨道耦合，为提高空穴自旋量子比特操控速率指明了方向；（4）指出在一类具有非简单空间群的反铁电体系中可以实现电学非易失性调控的局域强自旋极化，并预言真实的材料体系来实现该效应，为探索隐藏自旋极化效应和铁电性的联系提供理论基础和材料指导；（5）率先提出一类存在能谷和层锁定的二维系统，其可以实现能谷和电场的直接耦合，并通过对称性分析结合第一性原理计算筛选出代表性材料实现该效应，突破了以往谷电子学材料因为时间反演联系的能谷简并导致难以通过静电场调控极化的瓶颈。