线性自旋轨道耦合和二维导体系统中由各种自旋轨道耦合效应引起的自旋矩的研究

Spin transfer torque (STT), which was firstly observed in spin valves, magnetic tunnel junctions (MTJ) and magnetic domain walls (DWs), has enabled the development of spin-torque oscillators, spin-logic devices and STT-RAM. The STT effect offers an alternative means to manipulate the magnetization of ferromagnet, e.g., it makes possible the control of the magnetization without application of any external magnetic field. Recently, a new type of STT has been theoretically and experimentally reported, which can also cause magnetization torque via relativistic, intrinsic spin orbit coupling (SOC). This type of magnetization torque is referred to as spin orbit torque. Spin orbit toque provide alternative and efficient routes for the manipulation of the magnetization that, in contrast to STT, require neither spin-polarizers nor textured ferromagnets. In this project, we consider current-induced spin orbit torques in ferromagnetic media with spatially varying local magnetization, which is coupled to various material systems exhibiting SOC effects, such as linear SOC systems (semiconductor) and two-dimensional (2D) conductor systems (graphene, topological insulator, MOS2 and silicene). We study the spin dynamics of these systems based on the gauge theoretic perspective. We will try to derive the spin orbit torques for various SOC systems.

自旋转移矩，最早是在自旋阀，磁隧道结和磁畴壁中被发现。自旋轨道矩可以引起磁反转和磁振荡，对自旋矩振荡器，自旋逻辑器件和自旋转移矩-存储器的发展有着深远的影响。自旋转移矩提供了一种操纵铁磁磁化的方法，例如我们不需要通过外加磁场来控制铁磁的磁化。最近，一种新型的自旋转移矩被理论和实验报道，其是通过系统内部的自旋轨道耦合效应引起的一种磁化力矩。这种类型的力矩被称为自旋轨道矩，提供了另外一种代替外加磁场能有效控制系统磁化的方法。与自旋转移矩不同的是，自旋轨道矩不需要通入自旋极化电流也不需要非共线的磁性结构。在本项目中，我们考虑在非均匀磁化的铁磁媒体中的电流引起自旋轨道材料系统中存在各种不同类型的自旋轨道矩，例如线性自旋轨道系统（半导体材料）和二维导体系统（石墨烯，拓扑绝缘体，硫化钼和硅烯材料）。我们利用规范场理论来研究这些系统中的自旋动力学。我们将会推导不同自旋轨道耦合系统的自旋轨道矩。

我们用一种统一的规范场方法讨论存在各种不同线性自旋轨道耦合效应的非均匀铁磁系统中由电流驱动的自旋动力学，这些线性自旋轨道耦合系统包括线性Rashba, Dresselhaus , Rashba-Dresselhaus，由拉伸引起的，原子自旋轨道耦合系统和存在外在的Rashba自旋轨道耦合效应的Graphene系统。我们在系统中应用规范场方法，在绝热的情况下，得到一个规范场（矢势）。这个规范场与所施加的电流相互作用，由此产生一个由电流驱动的有效磁场，其对应产生的自旋矩作用于铁磁系统的局域磁化。我们提出了一个推广的Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG)方程，包括了我们得到的有效磁场这一项。我们又研究了存在内禀Rashba自旋轨道耦合效应的硅烯与非均匀的铁磁系统相结合，由电流引起的自旋动力学。我们用不同于以上线性自旋轨道耦合系统的规范场方法，得到了一个在外加电流下的由Rashba自旋轨道耦合效应引起的有效场，这个有效场能引起传导电子的自旋旋进，而这种自旋旋进的发生不需要外加的磁场。我们推导了由Rashba自旋轨道耦合效应引起的自旋矩，推广了LLG方程。自旋轨道矩所加的电流，系统Rashba自旋轨道耦合强度系数和系统的载流子密度相关。我们对两个具体的铁磁结构进行了讨论：Bloch畴壁和二维vortex系统，得到了有效磁场的具体形式。此外，我们还对二硫化钼薄膜的制备进行了研究，包括制作需要具备的优化条件，比如需要的材料的比例，衬底的倾斜角度，施加的电压，温度加热时间等条件。讨论了二维材料二硫化钼系统中由光引起的反常谷霍尔效应，证实了系统中存在一个很强的自旋轨道耦合效应，或者说自旋和谷之间存在一个很强的耦合效应。