Эффект Дрессельхауза (|ssytm :jyvvyl,]gr[g)
Эффект Дрессельхауза (связывание Дрессельхауза[1]) — это явление в физике твёрдого тела, при котором спин-орбитальное взаимодействие приводит к расщеплению энергетических зон в полупроводнике. Обычно он присутствует в кристаллических системах, лишённых инверсной симметрии или, другими словами, связан с отсутствием центра инверсии у объёмного материала. Эффект назван в честь Джина Дрессельхауза, предсказавшего это расщепление в 1955 году[2].
Спин-орбитальное взаимодействие — это релятивистская связь между электрическим полем, создаваемым ионным остовом, и результирующим дипольным моментом, возникающим в результате относительного движения электрона, и его собственным магнитным диполем, который пропорционален спину электрона. В атоме взаимодействие слабо расщепляет орбитальное энергетическое состояние на два состояния с противоположными ориентациями спина. В твёрдом кристаллическом материале движение электронов проводимости в решётке может быть изменено дополнительным эффектом из-за влияния периодического потенциала решётки на движение спина электрона. Если кристаллический материал не обладает центом инверсии, асимметрия потенциала может отдавать предпочтение одной ориентации спина по сравнению с противоположной и разделять энергетические зоны на сонаправленные и противонапрвленные по спину подзоны.
Спин-орбитальное взаимодействие Рашбы имеет аналогичное расщепление энергетических зон, но асимметрия возникает либо из-за объёмной асимметрии одноосных кристаллов (например, типа вюрцита[3]), либо из-за пространственной неоднородности границы раздела или поверхности. Эффекты Дрессельхауза и Рашбы часто имеют одинаковую силу при расщеплении зон в GaAs наноструктурах[4].
Гамильтониан для кристалла типа цинковой обманки
[править | править код]Материалы со структурой цинковой обманки нецентросимметричны. Эта объёмная инверсная асимметрия (BIA) заставляет пертурбативный гамильтониан содержать только нечётные степени квазиимпульса. Объёмный гамильтониан Дрессельхауса (учтена симметрия кристалла) или член BIA обычно записывается в такой форме:
где , и — матрицы Паули связаны со спином электронов как (здесь — приведённая постоянная Планка), а , и — компоненты импульса в кристаллографических направлениях [100], [010] и [001] соответственно[5].
При рассмотрении 2D-наноструктур, где направление вдоль толщины плёнки или [001] конечно, гамильтониан Дрессельхауса можно разделить на линейный и кубический вклады. Линейный гамильтониан Дрессельхауса обычно записывается в виде
где — константа связи.
Кубический член Дрессельхауса записывается в виде
где — толщина плёнки.
Гамильтониан обычно получается с использованием комбинации k·p-метода и модели Кейна (для полупроводников).
Примечания
[править | править код]- ↑ Борисенк, Данилюк, Мигас, 2021, с. 22—23.
- ↑ Dresselhaus, G. (1955-10-15). "Spin–Orbit Coupling Effects in Zinc Blende Structures". Physical Review. 100 (2): 580—586. Bibcode:1955PhRv..100..580D. doi:10.1103/PhysRev.100.580.
- ↑ E. I. Rashba and V. I. Sheka, Symmetry of Energy Bands in Crystals of Wurtzite Type II. Symmetry of Bands with Spin-Orbit Interaction Included, Fiz. Tverd. Tela: Collected Papers, v. 2, 162, 1959. English translation: http://iopscience.iop.org/1367-2630/17/5/050202/media/njp050202_suppdata.pdf Архивная копия от 2 июня 2019 на Wayback Machine
- ↑ Manchon, A. (20 August 2015). "New perspectives for Rashba spin–orbit coupling". Nature Materials. 14 (9): 871—882. arXiv:1507.02408. Bibcode:2015NatMa..14..871M. doi:10.1038/nmat4360. PMID 26288976.
- ↑ Roland, Winkler. Spin-orbit coupling effects in two-dimensional electron and hole systems. — Berlin : Springer, 2003. — ISBN 9783540366164.
Литература
[править | править код]- Борисенко Виктор Евгеньевич, Данилюк Александр Леонидович, Мигас Дмитрий Борисович. Спинтроника : учебное пособие. — 2-е. — М.: «Лаборатория знаний», 2021. — 232 с. — ISBN 978-5-93208-558-5.