GaN基一维量子结构中的自旋极化

The application of asymmetrically biased split-gates in one-dimensional (1D) quantum structures leads to the spin splitting in the ground state orbital level, and therefore the spin polarized current, which is crucial for the spin injection in spin field effect transistors (FETs). The two-dimensional electron gas (2DEG) in GaN based heterostructures is found to have relatively long spin life-time, strong Rashba spin-orbit interaction (SOI) and strong electron-electron interaction (EEI), which are advantageous in the application of spin-FETs. This project is planned to realize the spin polarized current in quantum point contacts (QPCs) based on AlGaN/GaN heterostructures, through the application of asymmetric voltages in the top gates that define the QPCs. By transport studies of the QPC devices in low temperature and strong magnetic fields, the mechanisms of spontaneous spin polarization and the properties of the spin polarized state will be investigated. The main aspects include: (1) the SOI induced by both the asymmetric lateral confinement and perpendicular polarization electric fields in 1D systems, and the variation of the spin splitting caused by tuning the lateral confinements; (2) the enhancement of spin splitting by the electron-electron interactions in the filling of the base energy level; (3) the influence of the lateral electric field on the direction of the spin polarization and the SOI induced effective magnetic field; (4) the transition and the relationships between the 0.7 anomaly in QPC and the SOI induced spin polarization. The research of this project aims at promoting the understanding of spontaneous spin polarization in the 1D quantum systems, and will lay the foundation for the more accurate and effective spin injection, manipulation, and detection.

在一维量子结构中引入面内侧向电场，可以使基态能级产生自旋劈裂，导致自旋极化。这对实现自旋注入、发展自旋器件具有重要意义。GaN基异质结构二维电子气，具有较长的自旋弛豫时间、较强的Rashba自旋-轨道相互作用(SOI)和电子-电子相互作用(EEI)，在自旋器件应用中具有优势。本项目拟在AlGaN/GaN异质结构中，制备量子点接触(QPC)结构，通过调控不对称的栅极电压，实现自旋极化电流。通过低温输运测量，本项目将对GaN基一维量子结构自旋极化的机制和自旋极化态的性质等问题进行研究，包括：（1）面内电场和异质结构内建电场导致的SOI对自旋劈裂的综合影响；（2）EEI在基态能级填充中对自旋极化的增强过程；（3）QPC中SOI等效磁场的方向和自旋极化态对面内电场的依赖关系；（4）QPC中的0.7异常电导与SOI导致的自旋极化的关系等。这项研究将有助于提升自旋注入、调控和探测的准确性和有效性。

在一维量子结构中对自旋劈裂、自旋极化和相关输运现象的研究，对实现自旋注入、发展自旋器件具有重要意义。GaN基异质结构二维电子气（2DEG），具有较长的自旋弛豫时间、较强的Rashba自旋-轨道相互作用（SOI）和电子-电子相互作用（EEI），在自旋器件应用中具有优势。本项目在AlGaN/GaN异质结构中，制备量子点接触（QPC）结构，通过低温输运测量等方法，研究了Rashba SOI对QPC中自旋劈裂的影响，QPC基态一维能级中的自旋极化态以及0.7电导异常与束缚态的关系等问题。主要结果如下：.（1）我们的实验首次在基于2DEG的QPC中发现了有效g因子在2DEG平面内的各向异性。随着2DEG耗尽至一维极限，由于Rashba SOI的作用，垂直于电流方向（y方向）的有效g因子将出现比电流方向（x方向）更快速的增长，最终三个特征方向的有效g因子将出现gz>gy>gx的关系。.（2）我们在GaN基QPC中报道和研究了0.7电导异常与自旋的自发极化。在基态一维能级的填充过程中， GaN基QPC出现比其它材料体系更明显且更接近0.5×2e2/h的电导平台，这意味着更强的自旋极化。实验发现这个自旋极化与水平侧向电场导致的SOI无直接关联，而更可能是来自于GaN基异质结构中较强的极化电场。.（3）对于一类内部存在束缚态的QPC，二维能谱图的分析显示，束缚态在QPC中将贡献一个稳定存在的输运通道。在磁场下，这将导致QPC的输运信号在两个塞曼分裂峰之间出现一个额外的峰值。我们发现，束缚态的基态对应着能量较低的自旋态，因此与能量较高的一维自旋态之间的劈裂将随磁场增大而增加。束缚态对一维自旋输运的影响是各向异性的，在垂直磁场中束缚态所对应的峰与水平磁场中的相比更为显著。.这些结果深化了我们对一维量子结构中的SOI和自旋输运的认识，为进一步利用GaN基QPC结构研究和制备自旋器件提供了基础。