磁性异质双隧穿结自旋相关输运问题的理论研究
自巨磁阻效应(GMR)发现以来，磁性异质结的自旋相关输运性质受到了广泛关注。对由铁磁体(FM)、磁性半导体(MS)、绝缘体(Ⅰ)以及其他纳米结构(如量子点纳米管、团簇分子等)组成的磁性异质结自旋相关输运问题的研究是当今凝聚态物理研究的热点之一。在GMR效应之后，人们重新研究了隧穿磁电阻(TMR)效应，并提出了自旋转移效应。这些效应有巨大的应用前景，但还有很多理论和应用问题有待解决。本学位论文对该领域的相关知识和研究状况进行较为详细的介绍，并引入该领域重要的基本概念和研究方法。我们取得的研究成果主要如下：
1.用Keldysh非平衡格林函数方法自洽求解，研究了自旋累积对铁磁体(FM)-量子点(QD)-铁磁体(FM)多层隧穿系统输运性质的影响。发现在考虑了自旋累积效应引起中心区电子化学势移动后，电流和自旋流会得到与以前的计算不同的结果。电导峰值会向低偏压方向移动，自旋电导会在不同位置出现新的峰值。我们还发现TMR的数值在考虑了自旋累积效应后显著增大。此外，我们还讨论了量子点中的电荷和自旋累积，发现它们随电压的变化呈现台阶状行为。
2.研究了自旋波激发对FM-FM-FM双隧道结系统自旋相关输运性质的影响。发现如实验观察到的那样，在两边铁磁体磁矩方向和中心区磁矩方向反平行时，电导和TMR会随电压振荡，而当两边铁磁体磁化方向和中心区磁化方向平行时则没有该振荡现象。这是因为当中心区铁磁体磁化方向和两边铁磁体磁化方向反平行时，会在中心区产生自旋累积，由于传导电子和局域自旋累积的s-d交换作用，会在中心区激发自旋波，而自旋波会辅助电子隧穿。此外，我们还研究了自旋波模式数，中心区电子能级以及分子场大小对体系输运性质的影响。
3.用Keldysh非平衡格林函数方法，结合了包含自旋转移矩的扩展LLG方程，系统地研究了FM-FM-FM双隧道结体系中自旋转移矩和磁矩翻转的临界电流。发现TMR随分子场增大显著增强；随电压增大，自旋转移矩振荡加剧，而电流除轻微震荡外则几乎线性增加，这是由于中心区有限尺度引起的共振隧穿导致的。发现临界电压和临界电流随中心区分子场大小和两边FM极化率变化呈台阶状行为，是电子的共振隧穿引起的。临界电流的数量级大约为105-106A/m2，和其他体系的临界电流数量级一致。
4.用Keldysh非平衡格林函数方法，研究了有Rashba自旋轨道耦合作用的铁磁体-量子点(绝缘层)-铁磁体Aharonov-Bohm(AB)环结构的自旋转移效应。发现右边铁磁体自旋转移矩的大小和方向可以通过改变通过AB环的磁通量或量子点上的偏压来控制。当选择与Rashba自旋轨道耦合系数匹配的磁通量时，可以在较小的电流下得到显著提高的自旋转移矩。自旋转移矩、电流和自旋流会随磁通量发生振荡。我们的结果可能会在纳米自旋电子学磁存储领域有潜在应用价值。
- 作者：
- 陈曦
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院物理科学学院
- 专业名称：
- 理论物理
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2009年
- 导师姓名：
- 苏刚
- 中图分类号：
- O491
- 关键词：
- 凝聚态物
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