第1章 半导体和自旋物理的基础知识 1
1.1 历史背景 1
1.2 自旋相互作用 2
1.2.1 泡利原理 2
1.2.2 交换相互作用 2
1.2.3 自旋-轨道相互作用 2
1.2.4 与原子核自旋的超精细相互作用 3
1.2.5 磁相互作用 4
1.3 半导体物理学基础&. 4
1.3.1 晶体中的电子能谱 4
1.3.2 电子和空穴的有效质量 4
1.3.3 有效质量近似 5
1.3.4 杂质的作用 5
1.3.5 激子 6
1.3.6 价带的结构，轻空穴和重空穴 7
1.3.7 GaAs的能带结构 9
1.3.8 光生载流子以及荧光 9
1.3.9 光学跃迁中的角动量守恒 11
1.3.10 低维半导体结构 11
1.4 半导体中的自旋物理学：概览 13
1.4.1 光学自旋取向与探测 13
1.4.2 自旋弛豫 14
1.4.3 Hanle效应 18
1.4.4 自旋流和电流的相互转化 19
1.4.5 电子与原子核系统之间的相互作用 20
1.5 本书内容概览 21
参考文献 23
第2章 量子阱中自由载流子的自旋动力学 26
2.1 导论 26
2.2 自旋动力学的光学测量 26
2.3 自由电子的自旋弛豫机制 28
2.4 体材料半导体中的自旋弛豫 31
2.5 ［001］取向量子阱中的电子自旋弛豫 33
2.5.1 对称的［001］取向的量子阱 33
2.5.2 ［001］取向量子阱中的结构反演不对称性 36
2.5.3 量子阱中的自然界面不对称性 38
2.5.4 二维电子气中的振荡自旋动力学 40
2.6 体材料和量子阱中自由空穴的自旋动力学 42
2.7 量子阱中自旋动力学的设计和控制 44
2.8 结论 46
参考文献 47
第3章 半导体量子阱中的激子自旋动力学 51
3.1 二维激子的精细结构 51
3.1.1 短程电子-空穴交换相互作用 52
3.1.2 电子-空穴的长程交换相互作用 53
3.2 量子阱中激子自旋的光学取向 53
3.3 量子阱中的激子自旋动力学 55
3.3.1 量子阱中的激子形成 56
3.3.2 激子中空穴的自旋弛豫 57
3.3.3 激子中电子的自旋弛豫 59
3.3.4 激子自旋弛豫机制 61
3.4 量子阱中的激子交换能和g因子 67
3.4.1 用连续光磁荧光谱来测量激子的交换能和g因子 67
3.4.2 激子的自旋拍 70
3.5 Ⅱ类量子阱中的激子自旋动力学 74
3.6 高密度激子系统中的自旋动力学 75
参考文献 79
第4章 半导体量子点中的激子自旋动力学 83
4.1 导论 83
4.2 量子点中的电子-空穴复合体 84
4.2.1 对单粒子图像的库仑修正 84
4.2.2 中性激子的精细结构 85
4.3 无外加磁场时中性量子点中的激子自旋动力学 86
4.3.1 共振激发下的激子自旋动力学 87
4.3.2 激子自旋的量子拍：各向异性的交换相互作用的影响 88
4.4 有外磁场时中性量子点中的激子自旋动力学 89
4.4.1 单量子点光谱中塞曼效应与各向异性相互作用导致的劈裂之间的竞争 89
4.4.2 外磁场下激子自旋的量子拍 91
4.5 荷电激子复合体：无磁场时的激子自旋动力学 92
4.5.1 荷电激子的形成：掺杂结构和电荷可调结构 93
4.5.2 X＋和 X－激子的精细结构和偏振 93
4.5.3 带负电的激子复合体Xn－的自旋动力学 95
4.5.4 束缚电子的自旋记忆 96
4.6 带电荷的激子复合体：外磁场中的自旋动力学 97
4.6.1 纵向磁场中带正电激子的电子自旋极化 97
4.6.2 垂直磁场中带正电的激子的电子自旋相干性 99
4.7 结论 100
参考文献 100
第5章 时间自旋分辨动力学和自旋噪声谱 106
5.1 导论 106
5.2 时间分辨和偏振分辨的光致荧光谱 107
5.2.1 实验技术 107
5.2.2 实验例证Ⅰ：（110）量子阱中的自旋弛豫 109
5.2.3 实验例证Ⅱ：半导体中耦合的电子和空穴自旋的相干动力学 111
5.2.4 光致荧光和自旋-光电器件 112
5.3 时间分辨法拉第／克尔旋转 113
5.3.1 实验装置 114
5.3.2 实验例证：自旋放大 116
5.4 自旋噪声谱 117
5.5 n-GaAs中的自旋噪声测量 119
5.6 结论 120
参考文献 121
第6章 载流子的相干自旋动力学 123
6.1 导论 123
6.1.1 自旋相干性和自旋退相位时间 123
6.1.2 用光学方法产生自旋相干的载流子 124
6.1.3 实验技术 125
6.2 量子阱中的自旋相干性 127
6.2.1 电子自旋相干性 128
6.2.2 空穴自旋相干性 138
6.3 带有单个电荷的量子点中的自旋相干性 140
6.3.1 用法拉第旋转来探测激子和电子的自旋拍频 140
6.3.2 电子自旋相干性的产生 143
6.3.3 量子点系综中自旋相干性的模式锁定 146
6.3.4 原子核诱导的自旋相干性的频率汇集 155
6.4 结论 160
参考文献 160
第7章 硅中受限电子的自旋性质 164
7.1 导论 164
7.2 硅量子阱中的自旋轨道效应 166
7.3 Si/SiGe量子阱中导带电子的自旋弛豫 170
73.1 导带电子的自旋弛豫机制 170
7.3.2 Si/SiGe中二维电子气的线宽和纵向弛豫时间 171
7.3.3 退相位和纵向自旋弛豫 175
7.3.4 与实验的比较 177
7.4 电流诱导的自旋-轨道场 178
7.5 交流电流引起的电子自旋共振 180
7.5.1 电偶极矩的自旋激发和磁偶极矩的自旋激发 180
7.5.2 二维Si/SiGe结构中的电子自旋共振信号的强度——实验结果 181
7.5.3 电子自旋共振的电流诱导激发和探测的模型 82
7.5.4 功率吸收和线型 183
7.6 平面束缚下的自旋弛豫 184
7.6.1 浅施主杂质 185
7.6.2 从二维电子气到量子点 186
7.6.3 硅量子点中的自旋弛豫和退相位 187
7.7 结论 188
参考文献 189
第8章 自旋霍尔效应 193
8.1 背景：分子气体中的磁输运 193
8.2 唯象理论：具有反演对称性的情形 194
8.2.1 基本知识 194
8.2.2 自旋流和电流的耦合 195
8.2.3 唯象方程 195
8.2.4 自旋-电荷耦合的物理结果 196
8.2.5 相关的问题 199
8.2.6 自旋-轨道相互作用的二阶项的电效应 200
8.3 唯象理论：不具有反演对称性的情形 202
8.4 微观机制 203
8.4.1 电子散射的自旋非对称性 204
8.4.2 侧跳机制 206
8.4.3 本征机制 210
8.5 实验 213
8.5.1 自旋霍尔效应的首次观测 214
8.5.2 二维空穴的自旋霍尔效应 214
8.5.3 二维电子的自旋霍尔效应 215
8.5.4 金属中逆自旋霍尔效应的观测 215
8.5.5 半导体中的室温自旋霍尔效应 217
8.6 结论 217
附录 推广的运动方程 217
参考文献 219
第9章 自旋光电流效应 222
9.1 导论：唯象描述 222
9.1.1 圆偏振光电流效应 222
9.1.2 自旋-电流效应和逆自旋-电流效应 223
9.1.3 纯粹的自旋光电流 223
9.1.4 磁致光电流效应 224
9.2 圆偏振光电流效应 224
9.2.1 历史背景 224
9.2.2 基本实验 224
9.2.3 子带间跃迁的微观模型 226
9.2.4 与k线性项的关系 226
9.2.5 子带间跃迁导致的圆偏振光电流效应 227
9.2.6 带间光学跃迁 229
9.2.7 对自旋敏感的漂白 230
9.3 自旋-电流效应 232
9.3.1 微观机制 233
9.3.2 Hanle效应引起的自旋光电流 235
9.3.3 零磁场下的自旋-电流效应 236
9.3.4 Rashba/Dresselhaus自旋劈裂比值的确定 237
9.4 逆自旋-电流效应 238
9.4.1 通过自旋翻转引起的电流诱导极化 239
9.4.2 进动的机制 240
9.4.3 电流诱导的自旋法拉第旋转 241
9.4.4 电流诱导的荧光偏振 242
9.5 纯自旋流 243
9.5.1 线偏振光注入的纯自旋流 243
9.5.2 依赖于自旋的散射导致的纯自旋流 246
9.6 总结 248
参考文献 248
第10章 自旋注入 253
10.1 导论 253
10.2 自旋注入和自旋堆积的理论模型 255
10.2.1 启发性的介绍 255
10.2.2 微观输运模型 258
10.2.3 自旋输运的热动力学理论 259
10.2.4 Hanle效应 264
10.3 金属中的自旋注入实验 264
10.4 半导体中的自旋注入 267
10.4.1 光学实验 268
10.4.2 输运实验 271
10.5 相关主题 275
参考文献 276
第11章 动态原子核极化与原子核场 279
11.1 半导体的电子-原子核自旋系统：有效场和自旋进动频率的特征值 280
11.1.1 自旋能级的塞曼劈裂 280
11.1.2 四极矩相互作用 280
11.1.3 超精细相互作用 281
11.1.4 原子核偶极-偶极相互作用 282
11.2 原子核引起的电子自旋弛豫：从短关联时间到长关联时间 283
11.3 原子核自旋的动态极化 285
11.3.1 电子自旋在Overhauser场中的劈裂 286
11.3.2 电子-原子核自旋系统在法拉第构型中的稳态 288
11.3.3 局域电子导致的动力学极化 288
11.3.4 原子核自旋系统的冷却 290
11.3.5 中性量子点中由激子引起的原子核极化 291
11.3.6 在隧穿耦合的量子点中由电流诱导的动态极化 292
11.3.7 原子核自旋的自极化 293
11.4 倾斜磁场中的原子核动态极化 294
11.4.1 电子自旋拉莫尔进动 295
11.4.2 倾斜磁场中电子-原子核自旋系统的极化 296
11.4.3 具有各向异性的g因子和自旋弛豫时间的结构中的电子-原子核自旋系统的双稳态 298
11.5 原子核磁共振的光学检测和光学诱导 299
11.5.1 光学检测原子核磁共振 299
11.5.2 多自旋和多量子态的核磁共振NMR 300
11.5.3 光学诱导核磁共振NMR 301
11.6 量子点的电子-原子核自旋系统中的自旋守恒 303
11.6.1 自旋方向保持不变的时间尺度和自旋温度 303
11.6.2 “自旋记忆”实验的解释 304
11.7 结论 308
参考文献 308
第12章 量子霍尔效应区内的原子核自旋与电子自旋的相互作用 314
12.1 导论 314
12.1.1 量子霍尔效应简介 314
12.1.2 量子霍尔效应中的电子自旋现象 319
12.1.3 GaAs基二维电子系统中的原子核自旋 322
12.2 实验技术 325
12.3 量子霍尔区的原子核自旋现象 326
12.3.1 无序的影响 327
12.3.2 边缘沟道的散射 328
12.3.3 斯格米子 331
12.3.4 v＝2/3处的原子核-电子自旋相互作用 333
12.3.5 在v＝2/3处基于电阻测量的核磁共振 335
12.3.6 v～1/2处的组合费米子的费米海 342
12.3.7 其他情形 345
12.4 总结和展望 346
参考文献 347
第13章 稀磁性半导体的基本物理学和光学性质 352
13.1 导论 352
13.2 Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族稀磁性半导体的能带结构 352
13.3 稀磁性半导体中的交换相互作用 354
13.3.1 s,p-d交换相互作用 354
13.3.2 d-d交换相互作用 356
13.4 磁性质 358
13.4.1 非掺杂的稀磁性半导体 358
13.4.2 载流子诱导的铁磁性 361
13.5 基本光学性质 364
13.5.1 巨塞曼效应 364
13.5.2 用光学方法检测Ⅱ-Ⅵ族稀磁性半导体中的铁磁性 369
13.5.3 量子点 371
13.5.4 自旋光发射二极管 372
13.5.5 Ⅲ-Ⅴ族稀磁性半导体 373
13.6 自旋动力学 375
13.6.1 s-d交换相互作用引起的电子自旋弛豫 375
13.6.2 Mn的自旋弛豫 376
13.6.3 CdMnTe量子阱中的集体自旋激发 379
13.7 先进的时间分辨光学实验 382
13.7.1 载流子自旋动力学 382
13.7.2 磁化动力学 383
参考文献 387
译后记 393
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