量子阱中电场引起的重-轻空穴耦合和新型Rashba自旋-轨道耦合效应的理论研究

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基本信息

  • 批准号：
    11904359
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    25.0万
  • 负责人：
    管闪
  • 依托单位：
    中国科学院半导体研究所
  • 学科分类：
    A2002.凝聚态物质力热光电性质
  • 结题年份：
    2022
  • 批准年份：
    2019
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Spin-orbit coupling in low-dimensional semiconductor materials is one of the fascinating subjects of Spintronics. The hole states in conventional semiconductor quantum wells have attracted great attention due to their distinct physical properties such as strong spin-orbit coupling, long spin lifetime and so on. Despite much effort has been devoted to the study of hole spin splitting, the heavy-hole (HH) and light-hole (LH) coupling induced by electric field has been ignored. In this project, based on atomistic pseudopotential method combined with effective Hamiltonian, we will explore mechanisms of HH-LH coupling hence its contributions to spin splitting, and then study the effects of composition, the direction of crystal growth and strain on this coupling as well as splitting. Finally, we shall design the potential application principle to achieve engineering the spin of degree in quantum wells. Our research will provide a new path toward novel Rashba spin-orbital coupling stemming from HH-LH coupling, and discover their rich intriguing properties to promote the great potential for applications in Spintronics.
自旋-轨道耦合效应是低维半导体自旋电子学研究的重要内容之一。传统半导体量子阱中空穴态因具有自旋-轨道相互作用强、自旋态寿命长的特点吸引了广泛的研究兴趣。目前在空穴态自旋劈裂的研究方面已经有不少工作，然而这些研究忽略了外加电场引起的重-轻空穴耦合。本项目拟结合经验赝势理论计算，构建考虑重-轻空穴耦合的量子阱中空穴自旋劈裂模型，全面深入地理解重-轻空穴耦合机制和其对自旋劈裂的相对贡献；探讨不同组分、应变、生长方向等手段对量子阱中重-轻耦合强度进而自旋劈裂大小的影响；探索潜在的自旋半导体器件应用机理。通过该项目的基础研究，可以发现和认识新型Rashba自旋-轨道耦合效应，为未来信息技术中高速、低耗的新型半导体器件设计提供物理基础。

结项摘要

自旋-轨道耦合效应处于实现非磁性半导体自旋电子学的核心位置，在半导体自旋量子比特、自旋极化和输运等研究领域扮演着举足轻重的角色。本项目结合原子论计算方法和模型分析，围绕二维空穴气中的新型自旋轨道耦合和隐藏自旋极化效应这两个重要的物理问题进行系统研究，取得的主要成果包括：（1）理论上首次发现了锗/硅量子阱二维空穴气中线性直接Rashba自旋轨道耦合效应，并揭示其源自于界面引起的轻重空穴耦合，更新了人们对于空穴Rashba效应的认识；（2）分析由该线性Rashba自旋轨道耦合效应所驱动的空穴量子比特电偶极自旋共振调控的内在机制，定量地解释了实验上观测的结果；（3）深入研究了空穴Rashba自旋轨道耦合线性项和传统立方项对量子阱不同生长方向的依赖关系，发现[110]取向具有最强的线性Rashba自旋轨道耦合和[111]取向呈现纯的立方项Rashba自旋轨道耦合，为提高空穴自旋量子比特操控速率指明了方向；（4）指出在一类具有非简单空间群的反铁电体系中可以实现电学非易失性调控的局域强自旋极化，并预言真实的材料体系来实现该效应，为探索隐藏自旋极化效应和铁电性的联系提供理论基础和材料指导；（5）率先提出一类存在能谷和层锁定的二维系统，其可以实现能谷和电场的直接耦合，并通过对称性分析结合第一性原理计算筛选出代表性材料实现该效应，突破了以往谷电子学材料因为时间反演联系的能谷简并导致难以通过静电场调控极化的瓶颈。

项目成果

期刊论文数量（8）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（0）
Electrically switchable hidden spin polarization in antiferroelectric crystals
反铁电晶体中可电切换的隐藏自旋极化
  • DOI：
    10.1103/physrevb.102.184104
  • 发表时间：
    2020-11-09
  • 期刊：
    PHYSICAL REVIEW B
  • 影响因子：
    3.7
  • 作者：
    Guan, Shan;Luo, Jun-Wei
  • 通讯作者：
    Luo, Jun-Wei
Emergent linear Rashba spin-orbit coupling offers fast manipulation of hole-spin qubits in germanium
新兴线性 Rashba 自旋轨道耦合可快速操纵锗中的空穴自旋量子位
  • DOI：
    10.1103/physrevb.105.075313
  • 发表时间：
    2022-02-28
  • 期刊：
    PHYSICAL REVIEW B
  • 影响因子：
    3.7
  • 作者：
    Liu, Yang;Xiong, Jia-Xin;Li, Shu-Shen
  • 通讯作者：
    Li, Shu-Shen
Orientation-dependent Rashba spin-orbit coupling of two-dimensional hole gases in semiconductor quantum wells: Linear or cubic
半导体量子阱中二维空穴气体的方向相关 Rashba 自旋轨道耦合：线性或立方
  • DOI：
    10.1103/physrevb.105.115303
  • 发表时间：
    2022-03
  • 期刊：
    PHYSICAL REVIEW B
  • 影响因子：
    3.7
  • 作者：
    Jia-Xin Xiong;Shan Guan;Jun-Wei Luo;Shu-Shen Li
  • 通讯作者：
    Shu-Shen Li
Enhanced in-plane ferroelectricity, antiferroelectricity, and unconventional 2D emergent fermions in quadruple-layer XSbO2 (X = Li, Na)
四层 XSbO2 (X = Li, Na) 中增强的面内铁电性、反铁电性和非常规二维涌现费米子
  • DOI：
    10.1039/d1nr06051a
  • 发表时间：
    2021
  • 期刊：
    Nanoscale
  • 影响因子：
    6.7
  • 作者：
    Guan Shan;Zhang GuangBiao;Liu Chang
  • 通讯作者：
    Liu Chang
Progress of hidden spin polarization in inversion-symmetric crystals
反演对称晶体隐藏自旋极化研究进展
  • DOI：
    10.1007/s11433-021-1821-1
  • 发表时间：
    2022-01
  • 期刊：
    SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    Shan Guan;Jia-Xin Xiong;Zhi Wang;Jun-Wei Luo
  • 通讯作者：
    Jun-Wei Luo

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其他文献

应变对量子材料新奇物性的调控
  • DOI：
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  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    Sci. Sin. Tech.
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    管闪;刘贵斌;盖彦峰;万文辉;刘畅;李思;张泽英;周小东;姚裕贵
  • 通讯作者：
    姚裕贵

其他文献

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管闪的其他基金

锗量子比特材料空穴态有效g因子及其调控的理论研究
  • 批准号：
    12374078
  • 批准年份：
    2023
  • 资助金额：
    52.00 万元
  • 项目类别：
    面上项目

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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