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第0章 绪论 1

0.1 自旋电子学的起源——巨磁阻效应器件 1

0.2 自旋电子学应用的新材料 2

0.3 自旋电子注入和自旋输运 3

0.3.1 欧姆注入 4

0.3.2 隧道注入 4

0.3.3 弹道电子注入 4

0.3.4 利用稀磁半导体在磁场下的巨Zeeman分裂效应 4

0.3.5 利用铁磁半导体作为自旋校准器 4

0.3.6 光学方法产生自旋极化电子 5

0.4 半导体和纳米结构中自旋相干的光学调控 5

0.4.1 自旋寿命的延长 5

0.4.2 自旋通过异质结界面的相干输运 7

0.4.3 自旋相干态的空间分辨 7

0.5 自旋电子器件 8

0.5.1 自旋发光二极管 8

0.5.2 铁磁场效应晶体管 8

0.5.3 铁磁半导体隧道结 8

参考文献 9

第1章 半导体中稀磁离子的性质 10

1.1 磁离子电子的组态 10

1.2 自由磁离子的基态在晶格场中的分裂 12

1.3 晶格场理论 13

1.4 多电子态波函数 16

1.5 等价算符方法 18

1.6 半导体中的磁离子能级 19

1.7 半导体磁离子性质的实验研究 25

参考文献 29

第2章 稀磁半导体的性质 30

2.1 磁场下半导体的有效质量理论 31

2.2 宽禁带稀磁半导体 32

2.2.1 宽禁带半导体的磁能级 32

2.2.2 稀磁半导体的磁相互作用 38

2.2.3 纤锌矿结构的稀磁半导体 42

2.2.4 实验观测 44

2.3 窄禁带稀磁半导体 50

2.3.1 窄禁带半导体的磁能级 50

2.3.2 Hg1-xMnxTe的磁光谱 53

2.4 稀磁半导体微结构 56

2.4.1 稀磁半导体超晶格，磁场垂直于界面 56

2.4.2 稀磁半导体超晶格，磁场平行于界面 60

2.4.3 稀磁半导体量子点 65

2.4.4 磁极化子效应 69

2.4.5 稀磁半导体量子线 72

2.5 稀磁半导体的输运性质 76

2.6 Fe2+离子的稀磁半导体，van Vleck磁性 79

2.7 巨Faraday和Kerr旋转 80

2.7.1 磁性半导体的磁光性质 81

2.7.2 磁性半导体中的时间分辨Faraday和Kerr旋转 84

2.8 光致磁化 87

参考文献 89

第3章 铁磁半导体 92

3.1 铁磁半导体Ga1-xMnxAs 92

3.2 其他铁磁半导体 98

3.3 费米能级工程 104

3.4 团簇对铁磁性的影响 108

3.5 铁磁半导体量子点 110

3.6 铁磁半导体的平均场理论 114

3.6.1 铁磁性的微观理论 114

3.6.2 稀磁半导体中的磁相互作用 117

3.6.3 铁磁半导体量子线，量子板 123

3.6.4 铁磁半导体量子点 128

3.6.5 铁磁半导体能带结构的第一性原理计算 130

参考文献 135

第4章 自旋极化电子的注入 137

4.1 半导体中电子自旋的寿命和漂移 137

4.2 半导体自旋晶体管 144

4.3 Rashba效应 148

4.3.1 Rashba效应的产生根源 148

4.3.2 Rashba系数的实验测量 151

4.3.3 Rashba系数的理论计算 155

4.4 自旋极化电子流的产生和输运 159

4.4.1 自旋电子通过半导体异质界面的相干输运 159

4.4.2 自旋极化电子的注入（实验） 163

4.4.3 自旋极化电子的注入（理论） 169

4.5 磁性半导体隧穿结 177

4.5.1 GaAs/GaMnAs异质结基本性质 177

4.5.2 铁磁／非磁／铁磁三层结构性质 178

4.5.3 铁磁金属和半导体接触 180

参考文献 185

第5章 自旋弛豫 188

5.1 自旋弛豫时间T1和T2 188

5.2 自旋弛豫的主要机制 191

5.2.1 EY机制 191

5.2.2 DP机制 194

5.2.3 DP机制，在单轴形变晶体中的自旋弛豫 197

5.2.4 BAP机制 198

5.2.5 EY，DP和BAP机制的比较 199

5.3 Ⅲ-Ⅴ族化合物中自旋弛豫的实验和理论研究 200

5.3.1 光学取向方法 200

5.3.2 InSb中的自旋弛豫（EY机制） 203

5.3.3 GaAs中的自旋弛豫（DP机制） 203

5.3.4 GaAs中的自旋弛豫（BAP机制） 206

5.3.5 自旋弛豫率与受主浓度的关系 207

5.4 量子阱中的自旋弛豫 208

参考文献 214

第6章 Rashba效应与Dresselhaus效应 216

6.1 反演非对称半导体体系中自旋轨道相互作用导致的自旋分裂——Rashba效应和Dresselhaus效应 216

6.1.1 有效质量近似 216

6.1.2 Dresselhaus效应概述 223

6.1.3 相对论量子力学推导 225

6.2 Rashba系统中的自旋-轨道耦合哈密顿 232

6.3 Rashba效应与能带色散 234

6.4 Rashba参数α 235

6.4.1 k·p公式 236

6.4.2 用k·p方法处理自旋轨道相互作用 237

6.4.3 八带模型 238

6.4.4 五能级模型（以GaAs为例） 240

6.5 从Shubnikov-de Haas振荡获取Rashba参数α 243

参考文献 246

第7章 半导体中电子自旋的光学响应 248

7.1 光子的自旋 248

7.2 半导体中光学跃迁的自旋守恒 250

7.2.1 光跃迁选择定则 250

7.2.2 分裂能带下的光激发 251

7.3 自旋分裂系统中光注入电子自旋引发的自旋光电流 254

7.3.1 圆偏光电流效应（CPGE） 255

7.3.2 自旋光电流效应（SGE） 259

7.4 自旋分裂系统中电场导致电子自旋极化 260

7.5 Rashba效应与Dresselhaus效应的实验区分及应用 262

7.6 旋光电子器件 265

7.6.1 Rashba和Dresselhaus综合效应自旋场效应晶体管 266

7.6.2 自旋光源——发光二极管和激光器 268

7.6.3 以传导电流探测自旋流 277

参考文献 280

第8章 自旋相干电子的操控 282

8.1 实验技术 282

8.2 半导体体材料中的电子自旋相干 285

8.3 半导体量子点的电子自旋相干 287

8.4 半导体中自旋相干电子的空间运动 292

8.4.1 半导体中没有外磁场的相干自旋操控 292

8.4.2 电流感应的自旋极化 294

8.5 自旋霍尔效应 297

8.5.1 自旋霍尔效应的光学观测 298

8.5.2 二维电子气的自旋霍尔效应 303

8.6 自旋流的产生 306

8.6.1 由自旋霍尔效应产生自旋流 306

8.6.2 双色光场产生自旋流 307

8.7 半导体中的自旋动力学 313

8.7.1 几种自旋流的迁移率和扩散系数 314

8.7.2 电场对自旋极化电流的效应 317

参考文献 319

第9章 自旋极化电子和磁畴的输运 321

9.1 磁性半导体二维电子气中的自旋输运 321

9.2 量子点的自旋输运 328

9.2.1 铁磁性Co引线构成的双垒磁隧穿结的自旋输运 328

9.2.2 与铁磁性电极耦合的半导体量子点中的近藤效应 332

9.2.3 磁性半导体量子点的自旋输运理论 335

9.3 磁性半导体中的磁畴输运 338

参考文献 342

第10章 未来的量子点、量子线自旋电子学 344

10.1 量子点的电子g因子 345

10.2 量子线的g因子 354

10.3 电场可调的g因子 359

10.4 N掺杂对电子的Rashba系数和g因子的效应 362

参考文献 365