复杂氧化物、铋锑合金与铋硫族化合物的自旋动力学

本论文预测两类材料家族可解决自旋电子学中的挑战：复杂氧化物与铋基材料。我们推导了构建有效自旋轨道哈密顿量的一般方法，适用于所有非磁性材料。我们还通过与III-V族半导体的其他方法进行对比验证了该形式体系。通过推导应变 SrTiO$_3$ 与二维电子气（如 LaAlO$_3$/SrTiO$_3$ 界面处）的自旋轨道相互作用并预测其自旋寿命，阐明了其普遍适用性。我们的结果表明钛酸锶相关材料具有稳健的自旋相干与自旋输运特性。在第二部分，我们利用 Kubo 公式并基于紧束缚哈密顿量计算的贝里曲率，计算了具有强自旋轨道耦合的 Bi$_{1-x}$Sb$_x$ 半金属的本征自旋霍尔电导率。具有强自旋轨道相互作用的近交叉能带在这些材料中产生了巨大的自旋霍尔电导率，范围从铋的 474 ($\hbar/e)( \Omega^{-1}cm^{-1}$) 到锑的 96($\hbar/e)( \Omega^{-1}cm^{-1}$)；铋的数值是铂的两倍以上。对于对应于三维拓扑绝缘体态的合金组分（如 Bi$_{0.83}$Sb$_{0.17}$），巨大的自旋霍尔电导率持续存在。对于掺杂 Bi 或 Bi$_{0.83}$Sb$_{0.17}$，通过改变化学势可使自旋霍尔电导率改变达 5 倍，这表明了掺杂或电压调谐自旋霍尔电流的潜力。我们还基于有效紧束缚哈密顿量计算了 Bi$_2$Se$_3$ 与 Bi$_2$Te$_3$ 拓扑绝缘体的本征自旋霍尔电导率。我们得出结论：铋锑合金与铋硫族化合物是通过自旋霍尔效应高效产生自旋电流的主要候选材料。