摘要
自旋电子学是一个多学科交叉形成的新兴领域，主要研究电子自旋以及与自旋相关的耦合机制，从而开发新型自旋电子学器件，用以取代基于电荷自由度的传统电子学器件。自旋电子学器件与传统的半导体器件相比，具有非易失性、低功耗、高数据处理速度和高集成度等优点。随着自旋电子学的迅速发展，自旋轨道耦合效应在相关材料中应用的范围越来越广泛。自旋轨道耦合是设计和开发自旋电子器件需要考虑的核心因素，它通过有效磁场将电子自旋和动量耦合在一起，提供了一种纯电学的方式来调控电子自旋，亦主导了当前凝聚态物理诸多新概念和新现象，如拓扑绝缘体、马约拉纳费米子等。 自旋轨道耦合效应一般分为Rashba和Dresselhaus两种类型。我们重点研究Rashba自旋轨道耦合。在双子带占据的半导体量子阱中，尽管对带内自旋轨道耦合的研究在理论和实验方面都取得了很大的进展，但额外的带间自旋轨道耦合及其对自旋纹理与自旋颤动的影响等关键问题目前仍不清楚，需要进一步的研究来揭示其中的物理原理。因此，本文旨在探讨双带系统中带间自旋轨道耦合对自旋纹理与自旋颤动的影响。在本论文中，我们由单子带Rashba拓展到双子带Rashba,通过求解哈密顿量矩阵，从而得到系统的本征态、能带结构与自旋纹理等静态特征。以电子的平面波作为初始条件，基于Ehrenfest定理，并利用运动方程求解电子随时间演化的自旋颤动轨迹，重点探讨了双带系统中只有带内项、只有带间项以及两者共存时的电子的自旋颤动，通过比较分析得出带间项对自旋颤动的影响。此外，针对于上述常规双子带Rashba，宋等人在单层OsBi2中提出非常规双子带Rashba的概念（Songetal.,Phys.Rev.B.104,115433（2021）），其带内项和带间项具有不同的对称性，这也是导致其来自不同自旋分支的纹理取向手性相同的根本。 在第一章中，我们简要介绍了自旋电子学、两种类型的自旋轨道耦合以及自旋霍尔效应、自旋场效应晶体管。随后介绍了自旋极化与电荷电流的互变、自旋颤动，并阐述了本论文的研究意义。 在第二章中，我们介绍了单子带Rashba、常规双子带Rashba、非常规双子带Rashba自旋轨道耦合模型。将带间项作为微扰，我们得到了微扰修正的哈密顿量的本征能量、状态波函数和自旋平均值。通过对Rashba能带结构和自旋纹理进行分析，结果发现，不同于常规双子带Rashba的能带结构，非常规双子带Rashba呈现反常的能带结构（反交叉），并且只在特定的能量范围下，这种能带结构具有独特的自旋纹理，其三个费米圈的自旋方向均相同。 在第三章中，计入自旋轨道耦合，对二维电子气中自旋极化波包的有效自旋颤动进行了系统研究。重点围绕双子带Rashba模型，我们考虑了只有带内项、只有带间项以及带内项和带间项共存的三种情况，然后分别对电子的自旋颤动进行动力学分析。我们以电子的平面波作为初始条件，基于Ehrenfest定理，并利用运动方程求解上述三种情况下且无电场时电子随时间演化的自旋颤动轨迹，对比分析带间项对自旋颤动的影响。最后，我们将电子随时间演化的自旋颤动轨迹拓展到有外加电场的情况下，并给出非常规双子带Rashba诱导的自旋颤动轨迹。 在第四章中，我们对本论文作了总结与展望。 这些工作揭示了带间自旋轨道耦合对自旋纹理和自旋颤动的影响，为提高自旋与电荷的转换效率提供了新思路，并为设计基于带间自旋轨道耦合的全新自旋电子器件提供更多可能。
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