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文檔簡介
1、本論文研究凝聚態(tài)物理中的反常電子自旋—軌道性質(zhì)。特別地,我們著重研究了反常電子自旋—軌道性質(zhì)對(duì)不同物理系統(tǒng)中的霍爾效應(yīng)(如反?;魻栃?yīng)、量子霍爾效應(yīng)、自旋霍爾效應(yīng)等)和一些靜態(tài)物理量(如軌道磁矩、磁化率等)的影響。這些系統(tǒng)包括具有拓?fù)湫再|(zhì)的二維鐵磁Kagomé格子、三維反鐵磁面心立方格子、Haldane模型和幾種常見的半導(dǎo)體材料模型,如二維電子氣系統(tǒng)、二維空穴氣體系統(tǒng)、Luttinger模型等。研究表明:這些物理系統(tǒng)中的各種霍爾效應(yīng),以
2、及靜態(tài)物理量的奇異性質(zhì)都同電子的自旋—軌道性質(zhì)有關(guān)。
第二、三兩章我們利用有限溫度下軌道磁矩的普遍多帶公式,從理論上研究了具有拓?fù)湫再|(zhì)的二維鐵磁Kagomé格子和三維反鐵磁形變立方格子中的軌道磁矩及其對(duì)熱電輸運(yùn)和磁極化率的影響。研究表明,組成軌道磁矩的兩部分,即傳統(tǒng)項(xiàng)和Berry相位修正項(xiàng),貢獻(xiàn)相反。特別是,我們發(fā)現(xiàn)軌道磁矩在金屬區(qū)和絕緣區(qū)展示出完全不同的行為,這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)項(xiàng)和Berry相位修正項(xiàng)在這兩種區(qū)域所起作用不同所致。
3、此外還計(jì)算了反常Nernst電導(dǎo),其隨電子Fermi能的變化具有起伏的峰—谷結(jié)構(gòu)。另外對(duì)于三維反鐵磁形變立方格子,我們還推導(dǎo)了軌道磁矩同霍爾電導(dǎo)的一個(gè)特殊關(guān)系,即軌道磁矩與反?;魻栯妼?dǎo)成正比。從而得到對(duì)于三維反鐵磁形變立方格子,其軌道磁矩具有和本征量子霍爾電導(dǎo)完全一致的拓?fù)淦鹪础?br> 第四章我們研究了幾種半導(dǎo)體材料模型中的軌道磁矩,包括二維電子氣體系統(tǒng)、二維空穴氣體系統(tǒng)和Luttinger模型。另外,對(duì)Haldane模型中的軌道磁
4、矩和霍爾電導(dǎo)也進(jìn)行了簡要的說明。
第五章我們研究了邊界態(tài)效應(yīng)和/或Rashba自旋—軌道作用對(duì)二維電子氣樣品中磁化強(qiáng)度的影響。研究表明:沒有邊界態(tài)存在時(shí),自旋—軌道耦合會(huì)改變磁化強(qiáng)度隨外磁場規(guī)則變化的鋸齒狀dHvA振蕩行為;而當(dāng)沒有自旋—軌道耦合時(shí),邊界態(tài)效應(yīng)又會(huì)使得隨著外磁場趨于零,鋸齒狀的磁化強(qiáng)度振蕩中心不趨于零。這種行為不同于沒有邊界態(tài)效應(yīng)時(shí)磁化強(qiáng)度的行為。外磁場越弱,邊界態(tài)效應(yīng)和自旋—軌道耦合的破壞越顯著。
5、第六章我們研究了具有自旋各向異性的二維鐵磁Kagomé格子中的手性邊界態(tài)。在強(qiáng)自旋耦合情形,我們推導(dǎo)了計(jì)算邊界態(tài)的Harper方程。我們發(fā)現(xiàn)在每個(gè)體帶隙中具有兩個(gè)邊界態(tài),它們對(duì)應(yīng)復(fù)能量Riemann面上Bloch函數(shù)的兩個(gè)零點(diǎn)。隨動(dòng)量參數(shù)變化的邊界態(tài)能量所形成的環(huán)路穿過Riemann面上的孔洞。當(dāng)Fermi能位于體帶隙中時(shí),量子霍爾電導(dǎo)由穿過孔洞的邊界態(tài)纏繞數(shù)給出,其結(jié)果為σedgexy=-e2/hsgn(sinφ),其中φ是自旋手性參
6、數(shù)。在一般自旋耦合情形,研究表明:系統(tǒng)仍可發(fā)生量子霍爾效應(yīng)。在一定條件下,還會(huì)出現(xiàn)量子數(shù)為2的現(xiàn)象。這些結(jié)論與拓?fù)潴w理論給出的結(jié)果相一致。
第七、八兩章我們詳細(xì)介紹了守恒自旋流的微觀理論,并研究了兩種系統(tǒng)中的守恒自旋流。一種系統(tǒng)為既具有Luttinger自旋—軌道耦合,又具有空間反射不對(duì)稱的Rashba自旋—軌道耦合的二維空穴氣體,研究發(fā)現(xiàn):守恒自旋流的兩部分對(duì)自旋霍爾電導(dǎo)的貢獻(xiàn)相反。沒有Rashba自旋劈裂時(shí),自旋霍爾輸運(yùn)主
7、要來自傳統(tǒng)項(xiàng)。一旦具有Rashaba自旋劈裂,自旋偶極矩修正項(xiàng)會(huì)突然增強(qiáng)很多,從而使得總的自旋霍爾電導(dǎo)發(fā)生一個(gè)整體的方向改變。另一種系統(tǒng)是垂直外磁場中的二維電子氣,研究發(fā)現(xiàn):在外磁場為特定值時(shí),自旋—軌道耦合同Zeeman劈裂的互相競爭會(huì)導(dǎo)致不同Landau能級(jí)間的額外簡并。這些簡并如果發(fā)生在Fermi面,會(huì)使得自旋霍爾電導(dǎo)的兩部分同時(shí)發(fā)生共振。特別是,在外磁場變化的很大范圍內(nèi),這兩部分具有相同的方向,從而使得總的自旋霍爾電導(dǎo)增強(qiáng)。而且
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