Rashba效应与Dresselhaus效应.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.------------------------------------------author------------------------------------------dateRashba效应与Dresselhaus效应Rashba效应与Dresselhaus效应Rashba效应与Dresselhaus效应自旋轨道相互作用表征电子自旋和运动的关系，通常表现为能级的分裂在半导体电子学中，自旋轨道耦合是影响自旋操控和自旋驰豫的重要物理机制反演非对称半导体体系下的自旋轨道耦合会导致自旋分裂而引起Rashba 效应和 Dresselhaus 效应 考虑在半经典和非相对论量子力学下的旋轨耦合，这等效于电子围绕原子核运动模型，电子在运动过程中产生磁场，并与其本身的电子磁矩作用，产生的附加能量使得原有能级劈裂附加能量为 由于存在相对论效应，需要进行 Thomas 修正，修正后的总能量为这和相对论量子力学推导出来的狄拉克哈密顿量完全一样。

半导体体系中，由于自旋轨道相互作用导致自旋简并的解除，因而在哈密顿量中出现波矢的线性项，形成自旋分裂这种分裂表现为电子能量与动量的色散关系由一条抛物曲面分裂为二，使自旋不同电子能级分裂而引起自旋分裂的机制为：结构反演不对称(SIA)导致的 Rashba 效应和晶体反演不对称(BIA)导致的 Dresselhaus效应同时异质结的界面反演不对称(IIA)也可以导致 Dresselhaus 效应，因为其哈密顿量同BIA类似 结构反演不对称(SIA)通常由内建电场、非对称的掺杂，三角形量子势阱、异质结等外部因素导致，而晶体反演不对称(BIA)则由晶体本身的对称性决定因此 Dresselhaus 效应普遍存在于半导体材料中，如 GaAs，二维电子气等等 在二维体系下，设z为晶体生长方向，即垂直于电子运动的二维平面，则自旋轨道耦合哈密顿量可以写作：这里的 Rashba 参数α表征与SIA有关的各种旋轨耦合机制的强度另一方面根据晶体的对称性，则可以推导出类似的线性 Dresselhaus 项：实质上 Dresselhaus 项是有关k的三阶量，但如果在二维电子气下看，k的z方向分量是量子化的，因而可以合并到 Dresselhaus 参数β里面，近似成为线性项。

根据理论计算，k的线性项会导致能量本征值的分裂，从而改变能量与动量的色散关系：由一条抛物型曲线分裂成两条 上述示意图是能量作为k的函数的能带结构其中 a 图是仅有 Rashba 或 Dresselhaus 效应的示意图，b 图是二者均存在的示意图在仅有BIA或者SIA的情况下，从任意方向做垂直k平面的切面图，均可以看出能带结构是对称的两个旋转抛物面，二者旋转轴以 k=0 位移对称，等能面则是两个同心圆c 图和 d 图表示了自旋取向和动量的关系可以看出，Dresselhaus 效应中，自旋与动量的角度影响着自旋的取向：在特殊的晶向上会出现平行或者垂直的情况；而 Rashba 效应中自旋的方向永远和动量方向垂直当两者效应同时存在时，两个旋转抛物面各自的旋转轴沿ky轴反向对称位移，特别在 BIA=SIA 下，自旋取向总是平行于kx轴。