半导体自旋电子学

自旋电子学通常指固体环境中电子自旋起决定性作用的现象。更狭义地讲，自旋电子学是一个新兴的电子学研究领域：自旋电子器件基于对电子的自旋控制，或基于对自旋或磁性的电学和光学控制。本综述介绍了半导体自旋电子学的精选主题，引入了自旋输运、自旋注入、Silsbee-Johnson 自旋 - 电荷耦合以及自旋依赖隧穿等重要概念，同时也涵盖了自旋弛豫和自旋动力学。非磁性半导体中最基本的自旋依赖相互作用是自旋 - 轨道耦合。取决于材料的晶体对称性以及基于半导体的异质结的结构特性，自旋 - 轨道耦合呈现出不同的函数形式，构成了有效自旋 - 轨道哈密顿量的良好研究平台。本文从真实的电子能带结构描述出发，推导了最相关材料类别和异质结的有效哈密顿量。大多数半导体器件系统仍属于理论概念，有待实验验证。本文综述了部分提议及少数已演示的器件，并详细描述了两类重要器件：磁性共振隧穿结构以及双极磁性二极管和晶体管。在大多数情况下，本文以教程风格呈现，以易于理解的水平介绍必要的理论形式体系，辅以实际实验结果的案例研究式插图，并对该领域相关的近期成就进行了简要综述。