基于光子自旋霍尔效应的甲烷检测理论研究

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作者 侯自如 王哲飞 武永 《激光技术》 CAS CSCD 北大核心 2024年第3期345-351,共7页

为了实现对甲烷体积分数的高精度检测,采用多层结构激发了具有高品质因素的光子自旋霍尔效应现象。利用非对称的排列方式,将甲烷敏感膜引入结构中,通过敏感膜的折射率变化,实现对甲烷体积分数的检测;研究了气体孔隙率、周期数、金属厚... 为了实现对甲烷体积分数的高精度检测,采用多层结构激发了具有高品质因素的光子自旋霍尔效应现象。利用非对称的排列方式,将甲烷敏感膜引入结构中,通过敏感膜的折射率变化,实现对甲烷体积分数的检测;研究了气体孔隙率、周期数、金属厚度和敏感膜厚度对光子自旋霍尔效应的影响,并采用传输矩阵法进行了数值分析。结果表明,该传感器可对体积分数为0~3%、折射率变化为1.4364~1.4478的甲烷气体进行检测,灵敏度为29.6°,最高质量因素和最低检测下限分别为395和0.00012。该传感器结构简单、检测能力强,为光学传感器的研究提供了新思路。 展开更多

关键词 传感器技术 甲烷体积分数 甲烷敏感膜 非互易 光子自旋霍尔效应

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自旋陈数理论和时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应 被引量：6

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作者 盛利 《物理学进展》 CSCD 北大核心 2014年第1期10-27,共18页

一般认为,量子自旋霍尔效应只有受到时间反演对称性的保护才是稳定的。但是,因为在实际材料中破坏时间反演对称性的微扰往往无法避免,这种受时间反演对称性保护的量子自旋霍尔效应在真实环境中并不稳定。本综述将介绍近期在寻找无需时... 一般认为,量子自旋霍尔效应只有受到时间反演对称性的保护才是稳定的。但是,因为在实际材料中破坏时间反演对称性的微扰往往无法避免,这种受时间反演对称性保护的量子自旋霍尔效应在真实环境中并不稳定。本综述将介绍近期在寻找无需时间反演对称性保护的量子自旋霍尔效应方向上的系列研究进展。我们将证明量子自旋霍尔体系的非平庸拓扑性质在时间反演对称性被破坏后仍然可以完好存在,并通过一个规范讨论,将边缘态一般性质和体能带的非平庸拓扑性质联系起来。进一步,将探讨通过人工消除边缘态时间反演对称性而实现稳定的量子自旋霍尔效应的方案。此外,我们还将介绍自旋陈数理论,自旋陈数是在没有时间反演对称性存在时,表征量子自旋霍尔体系所处不同拓扑相的有效工具。 展开更多

关键词 量子自旋霍尔效应 拓扑绝缘体 自旋陈数 边缘态 时间反演对称性

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半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应 被引量：4

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作者 常凯 杨文 《物理学进展》 CSCD 北大核心 2008年第3期236-262,共27页

本文主要评述和介绍半导体微结构中自旋轨道耦合的研究和最近的研究进展。我们细致地讨论了半导体微结构中自旋轨道耦合的物理起源和窄带隙半导体量子阱中的自旋霍尔效应。我们发现目前国际上广泛采用的线性Rashba模型在较大的电子平面... 本文主要评述和介绍半导体微结构中自旋轨道耦合的研究和最近的研究进展。我们细致地讨论了半导体微结构中自旋轨道耦合的物理起源和窄带隙半导体量子阱中的自旋霍尔效应。我们发现目前国际上广泛采用的线性Rashba模型在较大的电子平面波矢处失效:即自旋轨道耦合导致的能带自旋劈裂不再随电子波矢的增加而增加,而是开始下降,即出现强烈的非线性行为。这种非线性的行为起源于导带和价带间耦合的减弱。这种非线性行为还会导致电子的D’yakonov-Perel’自旋弛豫速率在较高能量处下降,与线性模型的结果完全相反。在此基础上,我们构造统一描述电子和空穴自旋霍尔效应的理论框架。我们的方法可以非微扰地计入自旋轨道耦合对本征自旋霍尔效应的影响。我们将此方法应用于强自旋轨道耦合的情形,即窄带隙CdHgTe/CdTe半导体量子阱。我们发现调节外电场或量子阱的阱宽可以作为导致量子相变和本征自旋霍尔效应的开关。我们的工作可能会为区别和实验验证本征自旋霍尔效应提供物理基础。 展开更多

关键词 半导体 自旋轨道耦合 自旋弛豫 自旋霍尔效应

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自旋轨道耦合与自旋霍尔效应 被引量：1

4

作者 张跃林 张金星 《北京师范大学学报（自然科学版）》 CAS CSCD 北大核心 2016年第6期781-789,共9页

从巨磁阻效应正式拉开自旋电子学的序幕开始,如何控制和操纵电子的自旋自由度在学术界和工业界掀起了巨大的研究浪潮,如何产生并测量自旋流也是自旋电子学面临的重大挑战.自旋轨道耦合为自旋电子学提供了利用全电学来控制自旋的物理基础... 从巨磁阻效应正式拉开自旋电子学的序幕开始,如何控制和操纵电子的自旋自由度在学术界和工业界掀起了巨大的研究浪潮,如何产生并测量自旋流也是自旋电子学面临的重大挑战.自旋轨道耦合为自旋电子学提供了利用全电学来控制自旋的物理基础,由自旋轨道耦合引起的自旋霍尔效应则为自旋电子学提供了产生较大纯自旋流的方法.本文从1879年Edwin Hall发现的那个迷人的效应谈起,同时从自旋轨道耦合的起源来认识自旋霍尔效应,进一步探讨了如何利用其逆效应来探测自旋霍尔效应及自旋流,并简单总结了与自旋霍尔效应相关的部分新效应及新应用. 展开更多

关键词 自旋电子学 自旋轨道耦合 自旋霍尔效应

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基于双折射MIM结构的增强光自旋霍尔效应研究 被引量：2

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作者 殷澄 王贤平 +3 位作者 阚雪芬 戴海浪 李建 韩庆邦 《江西师范大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2018年第1期52-56,共5页

光自旋霍尔效应所产生的横向IF(Imbert-Fedorov)位移一般仅为亚波长量级,因此极大地限制了该效应在精密度量领域的应用.该文提出一种金属/双折射材料/金属(MIM)的多层结构,通过直接耦合方式激发该结构中的振荡模式,并利用双折射特性形... 光自旋霍尔效应所产生的横向IF(Imbert-Fedorov)位移一般仅为亚波长量级,因此极大地限制了该效应在精密度量领域的应用.该文提出一种金属/双折射材料/金属(MIM)的多层结构,通过直接耦合方式激发该结构中的振荡模式,并利用双折射特性形成偏振相关的小角度共振,以此来增强光自旋霍尔效应.理论分析表明:上述设想可将可见光波段的横向IF位移增强到可以直接观察的亚毫米甚至毫米量级. 展开更多

关键词 光自旋霍尔效应 MIM结构 横向IF位移

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导电氧化铋薄膜的逆自旋霍尔效应

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作者 王孟怡 邱志勇 《中国材料进展》 CAS CSCD 北大核心 2021年第10期756-761,共6页

自旋霍尔效应及其逆效应作为自旋电子学中实现自旋-电荷转换的核心物理效应,对纯自旋流的产生、探测有着重要的应用价值,是自旋电子器件开发与应用的关键技术节点。对高自旋-电荷转换效率材料体系的探索与开发是该领域的核心课题。以导... 自旋霍尔效应及其逆效应作为自旋电子学中实现自旋-电荷转换的核心物理效应,对纯自旋流的产生、探测有着重要的应用价值,是自旋电子器件开发与应用的关键技术节点。对高自旋-电荷转换效率材料体系的探索与开发是该领域的核心课题。以导电氧化铋薄膜为对象,研究其中的逆自旋霍尔效应。采用交流磁控溅射系统,使用氧化铋陶瓷靶制备了不同厚度的导电氧化铋薄膜,并与坡莫合金薄膜构成铁磁/非磁双层自旋泵浦器件,在该器件中首次观测并确认了导电氧化铋薄膜中逆自旋霍尔效应所对应的电压信号。通过逆自旋霍尔电压对氧化铋薄膜厚度的依存关系,定量地估算了氧化铋薄膜的自旋霍尔角及自旋扩散长度。通过提出一种新的具备可观测逆自旋霍尔效应的材料体系,不仅拓展了自旋电子材料的选择空间,也为新型自旋电子器件的设计和应用提供了思路。 展开更多

关键词 氧化铋 导电氧化物 逆自旋霍尔效应 自旋霍尔角 自旋扩散长度 自旋泵浦

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光子自旋霍尔效应及其在物性参数测量中的应用

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作者 刘硕卿 陈世祯 罗海陆 《物理学进展》 CSCD 北大核心 2022年第2期35-53,共19页

光子自旋霍尔效应是指光束在非均匀介质中传输时,自旋角动量相反的光子在垂直于入射面的方向发生的横向自旋相关分裂。光子自旋霍尔效应可以和电子自旋霍尔效应作类比:自旋光子扮演自旋电子的角色,折射率梯度扮演外场的角色。光子自旋... 光子自旋霍尔效应是指光束在非均匀介质中传输时,自旋角动量相反的光子在垂直于入射面的方向发生的横向自旋相关分裂。光子自旋霍尔效应可以和电子自旋霍尔效应作类比:自旋光子扮演自旋电子的角色,折射率梯度扮演外场的角色。光子自旋霍尔效应源于光的自旋-轨道相互作用,和两类几何相位有关:一类是动量空间的自旋重定向Rytov-Vlasimirskii-Berry相位;另一类是斯托克斯参数空间的Pancharatnam-Berry相位。光子自旋霍尔效应对物性参数非常敏感,结合量子弱测量技术,在物性参数测量、光学传感等领域具有重要的应用前景。本文将简单分析光子自旋霍尔效应的物理根源,回顾近几年不同物理系统中光子自旋霍尔效应的研究进展,介绍光子自旋霍尔效应在物性参数测量中的应用。最后,展望其在光学模拟运算、显微成像、量子成像等领域的可能发展方向。 展开更多

关键词 光子自旋霍尔效应 光的自旋-轨道相互作用 几何相位 量子弱测量

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光致规范场下的冷原子及自旋量子霍尔效应 被引量：1

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作者 张新定 《量子电子学报》 CAS CSCD 北大核心 2009年第2期187-192,共6页

讨论了冷原子与激光场的互作用系统，对于碱金属原子例如^6Li与激光场互作用系统，通过恰当的光场参数配置，构造出具二重兼并的能量本征态，可以分别定义两个简并态为自旋向上及自旋向下态，类似于自旋二分量体系。进一步研究发现，不... 讨论了冷原子与激光场的互作用系统，对于碱金属原子例如^6Li与激光场互作用系统，通过恰当的光场参数配置，构造出具二重兼并的能量本征态，可以分别定义两个简并态为自旋向上及自旋向下态，类似于自旋二分量体系。进一步研究发现，不同自旋态将感受到自旋相关的光致规范场。当原子在设定的空间分布激光场中运动时，其所感受到的有效自旋相关规范场将导致自旋霍尔效应，并产生可观测的自旋霍尔流。 展开更多

关键词 量子光学 量子自旋霍尔效应 规范场 冷原子

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冷原子中的光致量子自旋Hall效应 被引量：1

9

作者 张新定 高宗壬 《华南师范大学学报（自然科学版）》 CAS 2008年第4期59-62,共4页

讨论在冷原子体系中利用光致规范场模拟量子自旋霍尔效应.通过对6Li这样的多能级原子施加适当的激光脉冲,构造出具二重兼并的能量暗态(能量为零的本征态).类似于自旋二分量体系,可以分别定义2个暗态为自旋向上及自旋向下态.当原子在空... 讨论在冷原子体系中利用光致规范场模拟量子自旋霍尔效应.通过对6Li这样的多能级原子施加适当的激光脉冲,构造出具二重兼并的能量暗态(能量为零的本征态).类似于自旋二分量体系,可以分别定义2个暗态为自旋向上及自旋向下态.当原子在空间分布的激光场中运动时,其所感受到的有效自旋相关规范场将导致可观测的自旋霍尔电流. 展开更多

关键词 冷原子 规范场 量子自旋霍尔效应

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自旋Seebeck效应实验研究进展

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作者 黄琳 朴红光 +1 位作者 黄秀峰 潘礼庆 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第5期36-40,61,共6页

自旋Seebeck效应是自旋热电子学(Spin caloritronics)领域中反映自旋流和热流之间相互作用关系的重要物理现象。它具有重要的科学研究价值和深远的应用前景,得到了国内外相关研究组织的广泛关注。通过对自旋Seebeck效应的研究意义进行... 自旋Seebeck效应是自旋热电子学(Spin caloritronics)领域中反映自旋流和热流之间相互作用关系的重要物理现象。它具有重要的科学研究价值和深远的应用前景,得到了国内外相关研究组织的广泛关注。通过对自旋Seebeck效应的研究意义进行简单介绍,重点分析了由热流激发自旋波(自旋流)引起的自旋Seebeck效应的物理机制,并对其探测方法以及现阶段存在的问题进行了着重阐述。 展开更多

关键词 自旋热电子学 自旋Seebeck效应 逆自旋霍尔效应 磁热效应

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垂直点接触自旋霍尔纳米振荡器中自旋波动力学的微磁学模拟

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作者 朱耿宽 高振宇 +4 位作者 陈丽娜 周恺元 梁力克 陶醉 刘荣华 《南京大学学报（自然科学版）》 CAS CSCD 北大核心 2023年第2期213-221,共9页

基于微磁学模拟的方法,对垂直点接触自旋霍尔纳米振荡器(VNC-SHNO)中自旋波的激发和其非线性动力行为随电流、磁场及角度的依赖关系进行了详细的数值模拟研究.首先研究了纳米振荡器的频谱特性随激发电流的变化的关系,发现在低电流下,其... 基于微磁学模拟的方法,对垂直点接触自旋霍尔纳米振荡器(VNC-SHNO)中自旋波的激发和其非线性动力行为随电流、磁场及角度的依赖关系进行了详细的数值模拟研究.首先研究了纳米振荡器的频谱特性随激发电流的变化的关系,发现在低电流下,其频谱在远低于铁磁共振频率f_(FMR)处出现一个自旋相干性很好的振荡峰f_(1)以及几个高阶谐波峰,且其频率随电流增加表现出明显的红移;而在高电流下,其频谱除了出现低频f_(1)峰以外,在接近f_(FMR)处还出现了一个高频峰f_(2),但其频率几乎不随激发电流变化.其次,通过振荡模式的功率谱的空间分布图,发现f_(1)是局域在点接触边界的一类非线性“子弹”型自旋孤波,而f_(2)是分布在局域模f_(1)外围的一类准线性传播型自旋波.最后,还细致研究了外加磁场强度及外加磁场面外角度对自旋霍尔纳米振荡器中这两类自旋波的激发和调控规律,为下一步实验研究该器件的非线性动力特性及其在非线性逻辑计算中的应用提供了理论基础. 展开更多

关键词 微磁学模拟 自旋霍尔效应 自旋霍尔纳米振荡器 自旋波

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3d过渡族铁磁金属的自旋热输运研究

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作者 张兵兵 杨凡黎 +2 位作者 易立志 许云丽 黄秀峰 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第S02期280-283,共4页

关于铁磁金属体系中的自旋热输运实验研究,目前遇到的困难有:温度梯度的不均匀、铁磁金属中自旋流的分布不均匀,以及界面的各种散射等,这都会对铁磁金属多层膜体系的自旋塞贝克效应(SSE)产生显著影响,另外,诸多热相关效应引起的干扰信号... 关于铁磁金属体系中的自旋热输运实验研究,目前遇到的困难有:温度梯度的不均匀、铁磁金属中自旋流的分布不均匀,以及界面的各种散射等,这都会对铁磁金属多层膜体系的自旋塞贝克效应(SSE)产生显著影响,另外,诸多热相关效应引起的干扰信号,也会导致测量结果不准确。以上问题的存在是相关实验研究很少,且实验结果备受争议的原因。这些问题的解决,对于深入理解自旋热输运过程以及成功将自旋塞贝克效应于自旋电子器件中,均具有重要的理论和实践价值。本工作研究了FM/NM、FM_(1)/FM_(2)/NM结构中的纵向自旋塞贝克效应(LSSE),通过差分方法,扣除了研究体系中FM自身的反常能斯特信号和FM自身所产生的逆自旋霍尔效应信号,从而得到了体系的单一自旋塞贝克效应(SSE)信号。在此基础上,进一步研究了SSE信号对温度及铁磁层厚度的依赖关系。结果表明,SSE信号随温度升高而减小,随厚度增加而增大,值得注意的是,相较于单层FM体系,双层FM体系的信号并非各FM层信号的简单叠加;通过与文献的对比研究发现,采用本实验方法提取的SSE信号与理论模型计算值符合较好。 展开更多

关键词 3d过渡族铁磁金属 自旋塞贝克效应 反常能斯特效应 逆自旋霍尔效应

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光的自旋-轨道相互作用 被引量：2

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作者 许文昊 寿一畅 罗海陆 《量子电子学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第2期159-181,共23页

光的自旋-轨道相互作用是指光的自旋角动量和轨道角动量之间的相互作用,它存在于反射、折射、散射、衍射、聚焦等基本的光学过程中。在传统大尺度量级的经典光学中可以忽略自旋-轨道相互作用的影响,但在亚波长尺度下,自旋和轨道角动量... 光的自旋-轨道相互作用是指光的自旋角动量和轨道角动量之间的相互作用,它存在于反射、折射、散射、衍射、聚焦等基本的光学过程中。在传统大尺度量级的经典光学中可以忽略自旋-轨道相互作用的影响,但在亚波长尺度下,自旋和轨道角动量之间会发生强耦合。对光的自旋-轨道相互作用的基本起源和重要应用进行了综述。首先,介绍了光的自旋-轨道相互作用的两个重要基本概念:光子角动量和几何相位理论。其次,分别介绍了自旋-内禀轨道角动量和自旋-外禀轨道角动量两种相互作用的基本原理。然后,重点介绍了光自旋-轨道相互作用的研究进展以及代表性应用。最后,对光自旋-轨道相互作用相关研究面临的挑战和未来的研究方向进行了展望。 展开更多

关键词 光电子学 自旋-轨道相互作用 几何相位 光子自旋霍尔效应 量子弱测量 光学微分运算

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拓扑光子晶体与超构光子学(特邀) 被引量：4

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作者 张硕实 何辛涛 +1 位作者 陈晓东 董建文(指导) 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期80-95,共16页

拓扑光子学逐步成为重要的物理光学原理和方法,其光场调控的新颖方式引起了人们极大的兴趣。近年来人们借助拓扑光子学理论,采用光子晶体、超构表面等一类人工亚波长光学超结构,提出并实现了微波波段或光波段的宽带单向传输、抗散射传... 拓扑光子学逐步成为重要的物理光学原理和方法,其光场调控的新颖方式引起了人们极大的兴趣。近年来人们借助拓扑光子学理论,采用光子晶体、超构表面等一类人工亚波长光学超结构,提出并实现了微波波段或光波段的宽带单向传输、抗散射传输等新奇光学现象。根据拓扑光子学的发展历程,简要回顾了基于类量子霍尔、类量子自旋霍尔、类量子能谷霍尔等类量子效应光子晶体的拓扑物理特性和设计方法。进一步,分析了拓扑光子晶体在微纳集成光子与光量子器件方面的潜在应用。未来,随着人们对超结构的物理原理、光电设计、制备工艺、封装测试等研究的不断深入,超构光子学将成为新一代信息技术领域的重要组成部分,并有望在硅光电子学、集成电路、微光学技术、显微成像、光量子计算、量子精密测量等基础与应用领域,产生积极深远的影响。 展开更多

关键词 光子晶体 拓扑绝缘体 超结构 量子霍尔效应 自旋霍尔效应

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二维光子拓扑绝缘体研究进展 被引量：3

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作者 刘慧 王好南 +3 位作者 谢博阳 程化 田建国 陈树琪 《中国光学》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第4期935-954,共20页

受凝聚态拓扑绝缘体研究的启发,整数量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑半金属、高阶拓扑绝缘体等拓扑物理相继在光学系统中实现。光子系统因能带干净,样品设计简单且制作精度高等优势,逐渐成为研究物理拓扑模型和新型拓扑效应的重... 受凝聚态拓扑绝缘体研究的启发,整数量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑半金属、高阶拓扑绝缘体等拓扑物理相继在光学系统中实现。光子系统因能带干净,样品设计简单且制作精度高等优势,逐渐成为研究物理拓扑模型和新型拓扑效应的重要平台。拓扑光子学提供了全新的调控光场和操控光子的方法,其拓扑保护的边界态可实现光子对材料杂质缺陷免疫的传播,这种传统光子系统不具备的理想的传输态有望驱动新型光学集成器件的变革。本文将从二维光学体系出发,简要介绍几种典型的光拓扑绝缘体的最新进展,例如光整数量子霍尔效应、光量子自旋霍尔效应、光Floquet拓扑绝缘体、拓扑安德森绝缘体和高阶拓扑绝缘体。文中重点介绍了上述几种光拓扑绝缘体的拓扑模型及其新型的拓扑现象,并在最后展望了新型光学拓扑效应及其在光学器件中的应用前景。 展开更多

关键词 光拓扑绝缘体 光整数量子霍尔效应 光量子自旋霍尔效应 光Floquet拓扑绝缘体 拓扑安德森绝缘体 高阶拓扑绝缘体 拓扑保护边缘态

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