[科普中国]-电子自旋偏振

自旋电子器件是要利用半导体及其量子结构材料中的电子自旋自由度的偏振态作为信息载体和逻辑位。实现量子计算。这就要求电子自旋偏振具有足够长的寿命和空间输运距离，以满足器件对电子自旋偏振的逻辑控制和运算。

电子自旋偏振度的飞秒激光吸收光谱基于二能级体系的速率方程，获得了非完全初始自旋偏振极化条件下的自旋偏振向上和向下载流子布居弛豫的解析解。基于小信号近似， 给出了左 、右旋圆偏振探测光的饱和吸收变化的表达式。此表达式中含有电子布居的初始自旋偏振度参数，因而用此表达式拟合实验数据能够直接获取电子布居的初始自旋偏振度，而电子布居的初始自旋偏振度在自旋偏振输运研究中是一个非常重要的关键参数。实验获得了 GaAs AlGaAs 多量子阱结构中光注入电子布居的初始自旋偏振度及其弛豫时间常数。1

多量子阱中电子自旋偏振度来自钛宝石自锁模激光器的约 80fs 脉宽，中心波长 827nm，重复率82MHz 的线偏振激光脉冲序列通过分束片 BS 后分为两束，强的反射束通过两个反射镜 M 组成的可移动延时臂和斩波器 CP 后，通过起偏器 P1 和 1 4 波片变为左旋微略椭圆偏振光，通过透镜 L 聚焦到GaAs AlGaAs 多量子阱 薄膜样品 S 上，向导带注入净自旋偏振向上的初始电子布居。透过 BS 的弱光束经 M 反射后通过起偏器 P1，1 2 波片、检偏器 P2和 1 4 波片变为左旋或右旋圆偏振光，再通过 L 聚焦到样品 S 上的激发点，探测自旋偏振电子布居弛豫。光电探测器 D 输出的电信号输入锁相放大器，斩波器 CP 输出信号作为锁相放大器的参考信号，则锁相放大器的输出信号即为圆偏振探测光透射强度的变化量。此变化量随延迟时间的变化则反映了电子自旋偏振的弛豫。1

GaAs 多量子阱中电子自旋偏振弛豫标注为(σ+，σ+)的上曲线为左旋微略椭圆偏振光抽运，左旋圆偏振光探测的弛豫信号，反映了由于自旋退偏振和电子复合引起初始自 旋偏振向上电子布居数的衰减。标注为(-， -)的中间曲线为抽运与探测为平行线偏振时的透射光强变化，反映导带电子由于复合引起的总电子布居密度衰减。标注为(σ+， σ-)的下曲线为相同左旋微略椭圆偏振光抽运，右旋圆偏振光探测的透射光强变化。该信号逐渐增强，表明自旋向下偏振电子布居密度随时间增加，这正是初始自旋偏振向上电子退自旋偏振，转化为自旋偏振向下的电子，从而使自旋向下偏振电子布居密度增加。

电子自旋偏振弛豫时间在皮秒尺度，远大于激光脉冲宽度，因此，激光脉冲宽度对自旋弛豫信号分辨率的影响可以忽略，获得电子自旋偏振弛豫时间常数 Ts =(72 ±5)ps 、电子复合时间常数 Tr =(510 ±10)ps 和初始电子自旋偏振度 P0 =0.52。这是首次用抽运_探测光谱直接实验获取电子初始自旋偏振度。电子初始自旋偏振度 P0 >0.5 是因为激发光的中心波长与重空穴吸收峰共振，所以，重空穴带的激发光强度大于轻空穴带的激发光强度，结果重 、轻空穴带的激发强度比大于 3，因而，初始电子自旋偏振度 P0 =0.52 >0.5 是合理的。1

电子自旋偏振弛豫的时间分辨吸收光谱采用飞秒时间分辨圆偏振光抽运-探测光谱对 In0.1Ga0.9N 薄膜的电子自旋注入和弛豫进行了研究。获得初始自旋偏振度约为 0.2， 此结果支持在圆偏振光激发下，重 、轻空穴带的跃迁强度比为 3∶1，而不支持 1∶1 或 1∶0.94 的观点.同时获得自旋偏振弛豫时间为 490±70 ps，定性分析了自旋弛豫机理，认为 BAP 机理是电子自旋 弛豫的主要机理。2

GaN 能带结构GaN 的能带结构。通常认为 InGaN与 GaN 具有相同的能带结构，In 的掺入仅改变带隙。假设圆偏振光激发下重 、轻空穴带电子跃迁强度比为 3∶1 .在GaN 体材料中，价带顶处轻 、重空穴带有微小的分裂。如果重轻空穴带的电子跃迁强度比为 1∶0.94，便仅可 获得最大3 %的初始自旋偏振度 ;若这一比例为 1∶1，则导带并不能激发出净自旋。无论在何种情况下，若能只激发重空穴带，则理论上可以获得 100 %的初始自旋偏振度。检验重 、轻空穴价带的跃迁强度比正是研究目的之一。2

吸收谱和发光谱钛宝石自锁模振荡器输出的 100 fs 脉冲光经BBO 倍频晶体后，获得中心波长为 376 nm 的紫光，此紫光射入标准的非共线抽运-探测装置，获得功率分别为 25 mW 和 7 mW 的平行抽运 、探测光束。通过一个非消色差的零级 1 4 波波片，变成同旋向的左旋圆偏振 (σ+)抽 运-探测 光。然后由一个焦距为80 mm的正透镜聚聚在样品上同一 点。探测光的透射变化由光电倍增管转换为电流，并送入锁相放大器检测。2

.在 GaN 体材料中，重轻空穴带的能量差只有 5 meV，实验中所用 100 fs脉冲 带宽就有 18 meV，重轻空穴带基本同时被激发。同时，从实验数据可以明显看出初始自旋偏振度大于 3 %，这就排除了重轻空穴带电子跃迁强度比为 1∶0.94 或 1∶1 的可能性，从而支持 3∶1 的跃迁强度比。对于同向圆偏振光抽运-探测，由于受四分之一波片带宽限制以及方位角的调节精度等因素的影响，实验中不能保证抽运光为严格的圆偏振光，采用赖天树等人发展的椭圆偏振光抽运-探测光谱一般模型来分析实验结果。

在宽带隙半导体材料中，这种相互作用不明显，因而 EY机理在这里也不是主要的自旋弛豫机理。因此，剩余的 BAP 机理应该是自旋弛豫的主要机理。BAP机理源于电子-空 穴交换相互作用，使电 子-空穴发生同步翻转而导致自旋弛豫。2

本词条内容贡献者为:

尹维龙 - 副教授 - 哈尔滨工业大学