磁调制半导体纳米结构中Goos－Hanchen效应与电子自旋极化研究

采用理论分析和数值计算相结合的方法，研究实验上已实现的或可以实现的三种典型磁调制半导体纳米结构（磁垒纳米结构、复合磁电垒纳米结构、δ-掺杂磁垒纳米结构）中自旋电子束的Goos-H?nchen效应（简称GH效应），探索实现半导体中电子自旋极化及其调控的新途径。本项目拟采用改进了的转移矩阵法（TMM方法）数值求解薛定谔方程，计算透射自旋电子束的相移，利用稳态相位法（SPM方法）由相移计算自旋电子束的GH侧向位移，进而给出电子的自旋极化度，并考虑结构尺寸、外加电场、自旋-轨道耦合（包括Rashba项和Dresselhaus项）等实际因素的影响，从而揭示磁调制半导体纳米结构中GH效应及其调控的规律，阐明利用GH效应实现电子自旋极化的原理，期望获得一种半导体自旋注入的有效方法与一类电子自旋束分裂器（Electron spin beam splitter），为自旋电子器件的设计和应用提供理论指导。

在半导体自旋电子学中，自旋电子器件的工作取决于自旋极化电子注入到半导体材料的能力。针对如何使半导体材料中电子产生自旋极化及其有效控制的基本科学问题，本项目以一类重要的半导体纳米结构为研究对象，运用理论分析与数值计算相结合的方法研究自旋电子在磁调制半导体纳米结构中的古斯-汉兴效应，揭示其侧向位移及其调控的规律，探索如何利用自旋相关的侧向位移实现半导体中电子自旋的分离，设计空间自旋分裂电子器件。.纠正该领域首个研究工作的错误，通过重新计算给出了正确的结果，同时建立正确处理磁调制半导体纳米结构自旋电子古斯-汉兴效应的研究方法与计算程序，可为同行提供借鉴与参考。分析和计算实验上已实现的或可以被实现的磁垒型和复合磁电垒型等两种典型的磁调制半导体纳米结构中自旋电子的侧向位移，发现仅仅磁场分布具有中心对称的磁垒纳米结构，侧向位移才是自旋相关的和用于实现自旋分离、设计空间自旋分离电子器件。但是，复合磁电垒纳米结构则总可以用于空间自旋分裂电子器件，因为电子的侧向位移总是自旋相关的，而且自旋极化率可通过改变电垒调节。通过施加偏置电压，分析和计算横向电场对自旋电子侧向位移及其极化的影响，发现改变偏压可很好地控制电子的自旋极化侧向位移，获得电可调的空间自旋分裂电子器件。利用原子层掺杂技术可在磁调制半导体纳米结构中引入一可调的Delta势，计算表明Delta-掺杂可以剪裁电子自旋的输运，获得结构可调的自旋过滤电子器件，建立正确处理Delta-掺杂对自旋电子传输影响的研究方法与计算程序。研究发现Delta-掺杂的权重和位置与电子的侧向位移和自旋极化率密切相关，特别是，其可打破系统中的内部对称性，使系统拥有明显的自旋极化效应，因此，可利用Delta-掺杂调控基于磁调制半导体纳米结构的空间自旋分裂电子器件，获得结构可控的自旋极化源。考虑窄禁带Ⅲ-Ⅴ族半导体异质结中的自旋-轨道耦合，揭示其对侧向位移及其自旋极化率的影响，改变其强度可以调控空间自旋分裂器件。.项目取得的研究结果有助于理解电子通过半导体纳米结构的侧向位移及其自旋极化的科学内涵，以及利用电子自旋极化的侧向位移从空间上分离自旋、实现半导体材料中自旋注入的物理机制。还可指导相关的实验工作，以便开发空间自旋分裂电子器件，为自旋电子学的应用提供可控的自旋极化源。