Спецкурсы
Спиновые явления в твердых телах
Лекторы
Владимир Николаевич Манцевич
кафедра физики полупроводников и криоэлектроники
Профессор, д.ф.-м.н.
Михаил Михайлович Глазов
ФТИ им. А. Ф. Иоффе
Ведущий научный сотрудник, д.ф.-м.н.
Аннотация
Цель курса — дать практические знания в области спиновых явлений в твердых телах, полупроводниках и полупроводниковых наноструктурах. Исследование таких эффектов вылилось в последние годы в формирование отдельной области современной физики конденсированного состояния — спинтроники. Задача курса — расширить кругозор студентов, познакомив их с одним из прорывных и наиболее популярных направлений современной физики, а также на примере исследований спиновых явлений — дать студентам необходимый теоретический аппарат для расчета зонной структуры полупроводников и наногетероструктур, решения задач физической кинетики и задач оптической поляризационной спектроскопии. В курсе рассматриваются также основные экспериментальные методики исследования спиновых явлений, в первую очередь — метод оптической ориентации электронных спинов, метод накачка-зондирование (pump-probe), методы электронного и ядерного спиновых резонансов. Приводится краткий обзор возможных применений явлений спинтроники в приборах, включая устройства памяти и устройства обработки информации (квантовых вычислений).
Программа курса
- Введение в магнетизм.
Обменное взаимодействие между электронами. Ферромагнетизм. Разбавленные магнитные полупроводники. Приведен обзор физических явлений, где наиболее ярко проявляются спиновые эффекты. Обсуждается обменное взаимодействие между локализованными электронами. - Спин-орбитальное взаимодействие в полупроводниках и полупроводниковых наноструктурах.
Спиновое расщепление электронных зон. Объемная, структурная и интерфейсная асимметрия, вклады Рашбы и Дрессельхауза в эффективный гамильтониан. Рассматриваются проявления спин-орбитального взаимодействия в полупроводниках, выводятся выражения для спиновых расщеплений в объемных материалах и квантовых ямах различной кристаллографической ориентации. - Спиновое расщепление энергетического спектра в магнитном поле.
Спиновые биения электронов в магнитном поле. Электронный парамагнитный (спиновый) резонанс, электронный дипольный спиновый резонанс. Приведен обзор и теоретические основы классических методов изучения спиновой динамики электронов и ядер. - Оптическая ориентация электронных спинов.
Поляризованная люминесценция. Эффект Ханле. Приведен обзор методик поляризованной люминесценции для исследования времен спиновой релаксации в полупроводниках, даны теоретические основы этих методов. - Спиновый эффект Фарадея.
Метод «накачка-зондирование» (pump-probe). Приведен обзор современных методик исследования спиновой динамики с временным и пространственным разрешением. - Спиновая релаксация свободных носителей.
Механизмы Эллиота — Яфета и Дьяконова — Переля. Дано теоретическое описание основных механизмов спиновой релаксации свободных носителей в полупроводниках. - Спин-зависимое рассеяние (эффект Мотта), спиновый ток и спиновый эффект Холла.
Рассматриваются спиновые токи, приводится сопоставление спиновых токов и электрических, рассматриваются микроскопические механизмы возникновения спиновых токов в полупроводниках и полупроводниковых наноструктур. - Ориентация спинов электрическим током, спин-гальванический эффект.
Рассматриваются эффекты управления спиновой поляризацией электрическими методами, излагаются теоретические основы передачи орбитального момента электронов спиновой системе. - Спиновый транспорт в магнитных системах гигантское магнитосопротивление.
Инжекция спинов из ферромагнетика. Спин-зависимое туннелирование. Рассматривается спиновый транспорт в магнетиках, приводятся примеры устройств, использующих эти явленимя. - Обменное взаимодействие между электроном и дыркой. Тонкая структура уровней экситона и механизм спиновой релаксации Бира — Аронова — Пикуса. Рассматриваются спиновые эффекты экситонов, дан теоретический вывод обменного взаимодействия электрона и дырки и проведен теоретический расчет времен спиновой релаксации экситонов.
- Сверхтонкое взаимодействие электронных и ядерных спинов.
Дефазировка спинов локализованных носителей. Эффект Оверхаузера. Приведен обзор явлений, связанных со взаимодействием ядерной и электронной спиновых систем в полупроводниках. - Проявление спин-орбитального взаимодействия в транспортных эффектах. Эффект Шубникова — де Гааза, слабая антилокализация. Рассматриваются проявления спиновых степеней свободы в электронном транспорте, дан расчет интерференционных эффектов, приводящих к изменению проводимости и связанных с наличием у электрона спина.
Литература
Основная
- А. Абрагам, Ядерный магнетизм, ИЛ (1963).
- Оптическая ориентация, п. ред. Б.П. Захарчени и Ф. Майера, Наука (1989).
- Spin physics in semicoductors, ed. M.I. Dyakonov, Springer (2008).
- И.Я. Герловин, И.В. Игнатьев, И.А. Югова, Спиновая динамика носителей в полупроводниковых наноструктурах, изд. Физич. Ф-та СПбГУ (2007).
- R. Winkler, Spin-orbit coupling effects in two-dimensional electron and hole systems, Springer (2003).
Дополнительная
- Демиховский В.Я., Вугальтер Г.А., Физика низкоразмерных структур, М. Логос 2000.
- E.L. Ivchenko, G.E. Pikus, Superlattices and other heterostructures, Springer-Verlag, Berlin, 1997.
- Бир Г.Л., Пикус Г.Е., Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках, М. Наука, 1972.