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存在自旋轨道耦合的介观小环中的持续自旋流孙庆丰 谢心澄 王 健


  摘 要文章作者研究了存在自旋轨道耦合的介观小环的平衡态性质.此前人们已经知道,在有磁通穿过的介观小环中,绕环运动的电子会产生一附加的Berry相位而导致持续电流;同样地,在仅有自旋轨道耦合的体系中,电子绕环运动也应当会产生附加的自旋Berry相位,进而驱动持续自旋流.文章作者通过对一个有正常区和自旋轨道耦合区的复合小环的计算,结果表明,无电流伴随的纯持续自旋流的确存在.文章作者指出,这持续自旋流描述真实的自旋运动,并且它能被实验观测.

  关键词持续自旋流,自旋轨道耦合, 介观小环

  近十年来,人们越来越关注自旋轨道耦合和它所引起的新的物理效应.由于自旋轨道耦合是耦合电子的自旋自由度和它的轨道自由度,这提供一种电的方式来控制自旋,即人们可以方便地用外加电场或门电压来控制和操纵电子自旋,进而实现自旋电子器件.近几年来,很多由自旋轨道耦合所引起的新物理现象已被发现,并引起人们广泛的兴趣.例如,有人利用自旋轨道耦合引起的自旋进动效应,在实验上设计了一种自旋晶体管[1];特别是最近Murakami等人和Sinova等人各自独立地预言了在自旋轨道耦合体系中[2],存在内在的自旋霍尔效应,即当加一纵向电场时,在横向将出现自旋流.这内在自旋霍尔效应已得到很多人的关注并已有大量的后续工作.

  最近,我们在一篇发表在Phys. Rev. Lett.上的论文中[3],预言了另一由自旋轨道耦合所引起的新效应:在仅仅有自旋轨道耦合而无任何磁场、磁通的介观小环中,存在纯的持续自旋流.本文主要介绍这一工作.早在20年前,人们已在理论上预言在有磁通穿过的介观小环中存在持续电流[4],后来并得到实验证实[5] .这种持续电流是一种纯量子的效应,它能持续地、无耗散地、永远地存在.近年来人们进一步研究了处于王冠型非均匀磁场中或既有磁通穿过又有自旋轨道耦合的介观环体系中的持续自旋流[6,7] .这种持续自旋流的起因现已完全理解:当无自旋轨道耦合时,磁通对自旋向上和向下的电子导致相等的持续电流;而当有自旋轨道耦合或外磁场时,持续电流会发生自旋极化,从而产生持续自旋流.所以这种持续自旋流总是伴随着持续电流.

  到目前为止,人们还没有考虑过是否有可能仅仅由自旋轨道耦合所产生的没有伴随着电流的纯持续自旋流.与以往不同的是,在本文中,我们预言在无磁场、无磁通、以及无任何磁性材料、仅仅有自旋轨道耦合的体系中,存在纯的持续自旋流.

  首先我们从物理图象来分析这体系中存在持续自旋流.考虑如图1(a)和1(b)所示装置中的一个无任何相互作用的小环,在小环的中心分别有一磁性原子或电性原子(即离子).磁性原子产生矢势,从而在环上驱动持续电流.从电磁对应的角度来说,离子产生标势,从而在环上驱动持续自旋流.由于这带电离子的标势会在环上引起自旋轨道耦合,然后由这自旋轨道耦合驱动持续自旋流.再者,我们也可以从Berry相位的角度来分析这种持续自旋流应当存在.假定电子波长远小于介观环的直径,此时电子可视为准粒子.电子绕环一周后会得到一个附加的Berry相位.已经有研究工作表明[8],电子绕环一周后,由Rashba自旋轨道耦合所引起的Berry相位是χ±=±π ;其中χ+对应自旋向上电子的Berry相位,这相位将会引起顺时针的自旋极化流[6],而χ-对应自旋向下电子的Berry相位,它将引起逆时针的自旋极化流.因为Rashba自旋轨道耦合不破坏时间反演对称性,所以这两种方向相反的电流正好相互抵消,从而仅产生纯的持续自旋流.

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摘自:物理
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