凝聚態(tài)物理中的反常電子自旋-軌道性質(zhì).pdf

1、本論文研究凝聚態(tài)物理中的反常電子自旋—軌道性質(zhì)。特別地，我們著重研究了反常電子自旋—軌道性質(zhì)對不同物理系統(tǒng)中的霍爾效應(yīng)（如反常霍爾效應(yīng)、量子霍爾效應(yīng)、自旋霍爾效應(yīng)等）和一些靜態(tài)物理量（如軌道磁矩、磁化率等）的影響。這些系統(tǒng)包括具有拓撲性質(zhì)的二維鐵磁Kagomé格子、三維反鐵磁面心立方格子、Haldane模型和幾種常見的半導體材料模型，如二維電子氣系統(tǒng)、二維空穴氣體系統(tǒng)、Luttinger模型等。研究表明:這些物理系統(tǒng)中的各種霍爾效應(yīng)，以

2、及靜態(tài)物理量的奇異性質(zhì)都同電子的自旋—軌道性質(zhì)有關(guān)。
　　第二、三兩章我們利用有限溫度下軌道磁矩的普遍多帶公式，從理論上研究了具有拓撲性質(zhì)的二維鐵磁Kagomé格子和三維反鐵磁形變立方格子中的軌道磁矩及其對熱電輸運和磁極化率的影響。研究表明，組成軌道磁矩的兩部分，即傳統(tǒng)項和Berry相位修正項，貢獻相反。特別是，我們發(fā)現(xiàn)軌道磁矩在金屬區(qū)和絕緣區(qū)展示出完全不同的行為，這是因為傳統(tǒng)項和Berry相位修正項在這兩種區(qū)域所起作用不同所致。

3、此外還計算了反常Nernst電導，其隨電子Fermi能的變化具有起伏的峰—谷結(jié)構(gòu)。另外對于三維反鐵磁形變立方格子，我們還推導了軌道磁矩同霍爾電導的一個特殊關(guān)系，即軌道磁矩與反?；魻栯妼С烧取亩玫綄τ谌S反鐵磁形變立方格子，其軌道磁矩具有和本征量子霍爾電導完全一致的拓撲起源。
　　第四章我們研究了幾種半導體材料模型中的軌道磁矩，包括二維電子氣體系統(tǒng)、二維空穴氣體系統(tǒng)和Luttinger模型。另外，對Haldane模型中的軌道磁

4、矩和霍爾電導也進行了簡要的說明。
　　第五章我們研究了邊界態(tài)效應(yīng)和/或Rashba自旋—軌道作用對二維電子氣樣品中磁化強度的影響。研究表明:沒有邊界態(tài)存在時，自旋—軌道耦合會改變磁化強度隨外磁場規(guī)則變化的鋸齒狀dHvA振蕩行為;而當沒有自旋—軌道耦合時，邊界態(tài)效應(yīng)又會使得隨著外磁場趨于零，鋸齒狀的磁化強度振蕩中心不趨于零。這種行為不同于沒有邊界態(tài)效應(yīng)時磁化強度的行為。外磁場越弱，邊界態(tài)效應(yīng)和自旋—軌道耦合的破壞越顯著。
　　

5、第六章我們研究了具有自旋各向異性的二維鐵磁Kagomé格子中的手性邊界態(tài)。在強自旋耦合情形，我們推導了計算邊界態(tài)的Harper方程。我們發(fā)現(xiàn)在每個體帶隙中具有兩個邊界態(tài)，它們對應(yīng)復能量Riemann面上Bloch函數(shù)的兩個零點。隨動量參數(shù)變化的邊界態(tài)能量所形成的環(huán)路穿過Riemann面上的孔洞。當Fermi能位于體帶隙中時，量子霍爾電導由穿過孔洞的邊界態(tài)纏繞數(shù)給出，其結(jié)果為σedgexy=-e2/hsgn(sinφ)，其中φ是自旋手性參

6、數(shù)。在一般自旋耦合情形，研究表明:系統(tǒng)仍可發(fā)生量子霍爾效應(yīng)。在一定條件下，還會出現(xiàn)量子數(shù)為2的現(xiàn)象。這些結(jié)論與拓撲體理論給出的結(jié)果相一致。
　　第七、八兩章我們詳細介紹了守恒自旋流的微觀理論，并研究了兩種系統(tǒng)中的守恒自旋流。一種系統(tǒng)為既具有Luttinger自旋—軌道耦合，又具有空間反射不對稱的Rashba自旋—軌道耦合的二維空穴氣體，研究發(fā)現(xiàn):守恒自旋流的兩部分對自旋霍爾電導的貢獻相反。沒有Rashba自旋劈裂時，自旋霍爾輸運主

7、要來自傳統(tǒng)項。一旦具有Rashaba自旋劈裂，自旋偶極矩修正項會突然增強很多，從而使得總的自旋霍爾電導發(fā)生一個整體的方向改變。另一種系統(tǒng)是垂直外磁場中的二維電子氣，研究發(fā)現(xiàn):在外磁場為特定值時，自旋—軌道耦合同Zeeman劈裂的互相競爭會導致不同Landau能級間的額外簡并。這些簡并如果發(fā)生在Fermi面，會使得自旋霍爾電導的兩部分同時發(fā)生共振。特別是，在外磁場變化的很大范圍內(nèi)，這兩部分具有相同的方向，從而使得總的自旋霍爾電導增強。而且