非线性 Rashba-Edelstein 效应理论

众所周知，驱动电流通过具有 Rashba 自旋轨道耦合的二维电子气会在垂直方向诱导出自旋极化（Edelstein 效应）。该现象已在线性响应区被广泛研究，即电子平均漂移速度远小于费米速度时。本文研究非线性区中的该现象，即平均漂移速度与费米速度相当或超过之。此区域在电场非常大或电子-杂质散射极弱时实现。非相互作用电子密度矩阵的量子动力学方程可精确解析求解，归结为费米面附近“未配对”电子的自旋动力学问题。关键参数为 $\gamma=eEL_s/E_F$，其中 $E$ 为电场，$e$ 为电子电荷绝对值，$E_F$ 为费米能量，$L_s = \hbar/(2m\alpha)$ 为耦合强度 $\alpha$ 的 Rashba 自旋轨道场中的自旋进动长度。若 $\gamma\ll1$，自旋演化是绝热的，导致自旋极化随时间单调增长并最终饱和于最大值 $n(\alpha/v_F)$，其中 $n$ 为电子密度，$v_F$ 为费米速度。若 $\gamma \gg 1$，自旋演化变得强烈非绝热，自旋极化逐渐减小，并在 $\gamma\to \infty$ 时最终被抑制。我们还预言了逆非线性 Edelstein 效应，其中电流由随时间线性增长的磁场驱动。正逆效应的“电导率”满足广义 Onsager 互易关系，在线性响应区退化为标准关系。