自旋軌道耦合效應指明了耦合電子的自旋自由度和它的軌道自由度之間的關係，這種關係提供了一種新的方式來控制電子自旋。自旋軌道耦合效應在半導體自旋電子學有很多具體套用，實際研究中根據介質材料所受力的性質和材料結構對稱性可以將自旋軌道耦合效應分為Rashba自旋軌道耦合和Dressalhaus自旋軌道耦合。
基本介紹
- 中文名：自旋軌道耦合效應
- 外文名：The effect of spin orbit coupling
- 一級學科：工程技術
- 二級學科：自旋電子學
- 內容：耦合電子自旋和軌道自由度的關係
- 意義：提供一種新的控制電子自旋方式
背景,概念,起源,相關研究,
背景
隨著自旋電子學的迅猛發展，自旋軌道耦合效應越來越受到人們的廣泛關注，國際上關於相關材料中自旋軌道耦合效應引起的各種新奇物理現象的報導越來越多，如自旋霍爾效應、自旋場效應電晶體、低損耗的自旋、自旋量子計算等。自旋軌道耦合作用提供了一種全電學（不需要外磁場或磁性材料）的方法控制自旋，隨著理論研究的深入和實驗技術的發展，基於自旋軌道耦合效應的各種電子器件層出不窮，也必將會帶來更大的實際套用價值。
概念
自旋軌道耦合效應是指耦合電子的自旋自由度和它的軌道自由度之間的關係，這種關係提供了一種新的方式來控制電子自旋，即人們可以方便地用外加電場或門電壓來控制和操縱電子的自旋，進而實現自旋電子器件。
自旋軌道耦合效應在半導體自旋電子學有很多具體套用，實際研究中根據介質材料所受力的性質和材料結構對稱性可以將自旋軌道耦合效應分為Rashba自旋軌道耦合和Dressalhaus自旋軌道耦合。
Rashba自旋軌道耦合效應相互作用機制是由Rashba首先引入的，Rashba自旋軌道耦合起源於結構反演不對稱，材料結構的非中心對稱性將導致能帶傾斜。
在三維晶體環境中，勢能起源於晶體周期勢。大多數多元半導體具有閃鋅礦晶格結構或者鉛鋅礦晶格結構，二者都沒有反演對稱性。Dresselhaus證明了這種體反演不對稱性質會導致導帶有一個自旋軌道耦合引起的劈裂而形成兩個子帶。
起源
我們知道，電場對靜止的電荷有靜電力的作用，電場對運動的電荷除了有靜電力的作用外還有磁場力的作用。磁場對靜止的電荷沒有力的作用，磁場對運動的電荷有力的作用。電場對靜止磁矩無相互作用，電場對運動磁矩有力矩作用。自旋軌道耦合的本質是外電場對運動自旋磁矩的作用，自旋軌道耦契約時也是一個相對論的效應。
如圖（a）表示的是原子核坐標系，根據庫侖定律，原子核在運動電子－e處產生一電場，電子繞原子核以速度v運動，存在一自旋磁矩，場對運動的磁矩將會產生相互作用，所以該自旋磁矩和由原子實在該處產生的電場將產生相互作用，這就是自旋軌道互作用的起源。由於運動是相對的，上述運動也可以看成電子不動，原子核繞電子運動，如圖（b），對應的自旋軌道耦合則可以理解成電子是靜止的，電場E以－v運動產生一個磁場B，這磁場B對自旋有力矩的作用。
圖1：兩種不同坐標系示意圖
圖1：兩種不同坐標系示意圖自旋是相對論量子力學的自然結果，所以更嚴格地給出原子中自旋軌道耦合必須要從狄拉克方程出發，通過狄拉克方程的非相對論極限可以得出自旋軌道耦合的具體形式。
相關研究
隨著科技進步，很多由自旋軌道耦合所引起的新物理現象已被發現，並引起人們廣泛的興趣。特別是Mu-rakami和Sinova等人各自獨立地預言了在自旋軌道耦合體系中，存在自旋霍爾效應。Sun等人預言了另一種由於自旋軌道耦合效應所引起的新的物理現象：在僅僅有自旋軌道耦合而無任何磁場、磁通的介觀小環中，存在純的持續自旋流。
Shi等人深入研究了自旋流的概念，提出了對自旋流新的定義，解決了自旋電子學領域的一個基本問題，對相關的後續研究有重要意義。自旋電子學的主要課題之一是自旋流的產生和有效控制。在金屬和半導體中，導帶電子的自旋軌道耦合可以有效的影響電子自旋狀態，為調控電子自旋相干運動提供了一個有效的途徑。最近，理論上提出了在空穴型半導體和半導體異質結的二維電子氣中，由於自旋軌道耦合作用，外電場會產生一個切向的純自旋流。這種內在的自旋霍爾效應已經成為一個廣泛的研究課題。在過去，人們對電子自旋的研究主要集中在自旋與磁場的相互作用，很少有人考慮材料的體不對稱性和面不對稱性對自旋和軌道之間的相互作用的影響。有關介觀輸運方面的研究工作大多都以閃鋅礦、纖維鋅礦化合物半導體及其異質結構的基礎上形成的二維電子氣、量子線或量子點為對象。
Dresselhaus曾指出在這類缺乏體反演對稱性的材料中，電子的自旋與軌道之間的相互作用能夠引起半導體的能帶劈裂，這種物理現象稱為Dresselhaus自旋軌道耦合（spin-orbit interaction或者spin-orbit coupling）。Rashba自旋軌道耦合效應是由異質結結構反演非對稱性引起的。儘管自旋軌道耦合作用的物理根源都來自於相對論效應，但它們對半導體能帶結構的修正足以被實驗觀察到。自旋軌道耦合效應使在實空間運動的自旋電子感受到了等效磁場的作用，導致電子在運動中的自旋進動。在各種模型和器件中，對這種進動規律的研究可以給自旋注入和自旋控制提供新的思路。自旋軌道耦合使電子的自旋與運動相關聯，從而可以通過控制電子的自旋來影響電子的運動，同時可以利用這種關聯性來控制自旋的去相干和自旋馳豫。
