自旋弛豫，包括橫向弛豫（Transverse Relaxation）和縱向弛豫，弛豫時間是解析物質化學結構的一個重要參數。實驗可以得到電子自旋偏振弛豫的時間。
基本介紹
- 中文名：自旋偏振弛豫
- 外文名：Spin polarization relaxation
- 拼音：zì xuán piān zhèn chí yù
- 別名：偏振弛豫
- 分類：物理學
- 適用範圍：電子自旋
定義,原理,套用,光譜用於電子自旋偏振弛豫,InGaN薄膜中電子自旋偏振弛豫,室溫下GaMnAs的電子自旋偏振弛豫,
定義
未來的自旋電子器件是要利用半導體及其量子結構材料中的電子自旋自由度的偏振態作為信息載體和邏輯位，實現量子計算這就要求電子自旋偏振具有足夠長的壽命和空間輸運距離,以滿足器件對電子自旋偏振的邏輯控制和運算。用條紋照相機可分別獲得時間分辨的左、右旋圓偏振光強度,進而根據定義計算出發光的圓偏振度的時間弛豫，基於電子自旋偏振度與發光的圓偏振度相同的基本假設，則獲得了電子自旋偏振度的時間弛豫。
原理
自旋電子學是一門研究電子自旋特性及其套用的學科。自1988年Baibich等人發現巨磁阻效應以來，電子自旋在鐵磁材料中的套用取得了巨大成功這使得人們希望利用當今廣泛套用的半導體材料來製作半導體自旋功能器件例如自旋發光二極體、自旋場效應管等，實現途徑之一是形成居里溫度在室溫之上的摻磁半導體材料，並希望其具有長的自旋弛豫時間。與其他半導體材料相比，GaN的摻磁材料居里溫度達到370K並且由於其寬頻隙和弱的自旋-軌道相互作用，理論預言GaN及其相關的三元化合物，例如InGaN，具有長的自旋弛豫時間。
套用
光譜用於電子自旋偏振弛豫
隨著自旋電子學的發展，半導體及其量子結構中的載流子自旋偏振弛豫特性受到關注。已報導III-V半導體及其量子阱結構中載流子的自旋偏振弛豫的實驗和理論研究。實驗研究使用圓偏振泵浦-探測光譜技術。用右（左）旋圓偏振泵浦光激發自旋向上（下）偏振的載流子布居，用左旋和右旋圓偏振探測光分別探測自旋向下和向上的載流子布居弛豫。然而，要獲得高純度的左、右旋圓偏振光是較困難的，因為通常採用線偏振光通過1/4波片獲得圓偏振光，這不僅要求高精度90度相位延遲的1/4波片，而且還要求實驗中精確調節1/4波片的方位角，以使快、慢軸方向的線偏振分量幅度相等。對寬頻帶的飛秒脈衝雷射，還要求1/4波片的相位延遲量在寬光譜範圍內保持高精度90度相位延遲。這樣的寬頻帶消色差1/4波片的製造是較困難的，價格也昂貴。用左或右旋橢圓偏振探測光同時探測自旋向上和向下偏振的載流子布居弛豫，因為橢圓偏振光包含不同強度的左旋和右旋圓偏振光分量，左（右）旋橢圓偏振光中左（右）旋圓偏振分量占優，所以，左、右旋橢圓偏振探測光的飽和吸收信號分別主要受自旋向下、向上偏振載流子布居的控制，因而，左、右旋橢圓偏振探測光的飽和吸收信號是不同的，所以，橢圓偏振泵浦-探測光譜能夠分辨自旋偏振的弛豫。橢圓偏振泵浦-探測光譜極大地降低了實驗難度和實驗設備的費用。本文基於二能級系統的速率方程和小信號近似，理論上給出了橢圓偏振探測光透射強度變化率的表達式，並用於GaAs/AlGaAs多量子阱結構中電子自旋偏振弛豫研究。
InGaN薄膜中電子自旋偏振弛豫
採用飛秒時間分辨圓偏振光抽運-探測光譜技術對In0.1Ga0.9N薄膜的電子自旋極化注入和偏振弛豫進行了研究。實驗獲得初始自旋偏振度約為0.2，偏振弛豫時間為490± 70 ps。針對目前文獻報導的幾種重、輕空穴帶躍遷強度比，我們的結果支持3∶1的躍遷比例，而不支持1∶1或1∶0.94。同時，討論了幾種主要的自旋弛豫機理，認為BAP機理是本實驗樣品中自旋弛豫主導機理。進一步的自旋弛豫機理驗證，有待自旋弛豫的溫度、濃度或過超能量依賴實驗研究。
我們使用飛秒時間分辨圓偏振光泵浦—探測飽和吸收光譜技術首次實驗研究了室溫下非摻雜GaAs中電子自旋偏振與相干弛豫。飛秒雷射由自鎖模鈦寶石雷射器產生，中心波長850nm，脈衝寬度約80fs，脈衝重複率82MHz。實驗裝置和探測方法與通常的時間分辨線偏振光泵浦—探測實驗裝置相同，只是在泵浦和探測光束中插入了1/4波片，產生左或右旋圓偏振泵浦和探測光。(σ+，σ+)標註曲線為右旋圓偏振光激發、右旋圓偏振光探測的實驗結果，顯示右旋圓偏振光激發的初始自旋向上電子布居的衰減弛豫。(σ+，σ-)標註曲線表示右旋圓偏振光激發，左旋圓偏振光探測的實驗結果，顯示由於初始自旋向上偏振電子的退偏振引起自旋向下偏振電子布居的增長。(-，-)標註的中間曲線為平行線偏振光激發、探測的實驗結果，它對自旋偏振弛豫不靈敏，反映載流子布居密度的衰減。
室溫下GaMnAs的電子自旋偏振弛豫
稀磁半導體GaMnAs是一種鐵磁性半導體材料，在未來的半導體自旋電子器件製造中，是一中潛在的高效率空穴自旋極化源。然而，由於其居里遠低於溫度，目前其鐵磁性僅在低溫環境下表現出來。在室溫下，Gal討nAs的性質如何，Mn摻雜是否對GaAs的自旋動力學有何影響，是否具有套用前景目前尚不清楚。本文正是要回答這一問題。研究了室溫下GaMnAs的自旋動力學行為及其隨退火處理，Mir摻雜濃度和雷射激發功率的變化。發現退火處理能使電子自旋弛豫時間變短，而Ke轉角增大一倍，如圖所示。這使得GaMnAs非常適合做自旋全光開關套用。此外，還研究了自旋弛豫時間隨激發功率的變化。發現退火與未退火樣品的自旋弛豫時間均隨激發功率增加而增加，顯示出DP自旋弛豫機制占主導地位。可以定性地解釋了各種因素對自旋弛豫的影響。
