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第0章 绪论1

0.1 自旋电子学的起源——巨磁阻效应器件1

0.2 自旋电子学应用的新材料2

0.3 自旋电子注入和自旋输运3

0.3.1 欧姆注入4

0.3.2 隧道注入4

0.3.3 弹道电子注入4

0.3.4 利用稀磁半导体在磁场下的巨Zeeman分裂效应4

0.3.5 利用铁磁半导体作为自旋校准器4

0.3.6 光学方法产生自旋极化电子5

0.4 半导体和纳米结构中自旋相干的光学调控5

0.4.1 自旋寿命的延长5

0.4.2 自旋通过异质结界面的相干输运7

0.4.3 自旋相干态的空间分辨7

0.5 自旋电子器件8

0.5.1 自旋发光二极管8

0.5.2 铁磁场效应晶体管8

0.5.3 铁磁半导体隧道结8

参考文献9

第1章 半导体中稀磁离子的性质10

1.1 磁离子电子的组态10

1.2 自由磁离子的基态在晶格场中的分裂12

1.3 晶格场理论13

1.4 多电子态波函数16

1.5 等价算符方法18

1.6 半导体中的磁离子能级19

1.7 半导体磁离子性质的实验研究25

参考文献29

第2章 稀磁半导体的性质30

2.1 磁场下半导体的有效质量理论31

2.2 宽禁带稀磁半导体32

2.2.1 宽禁带半导体的磁能级32

2.2.2 稀磁半导体的磁相互作用38

2.2.3 纤锌矿结构的稀磁半导体42

2.2.4 实验观测44

2.3 窄禁带稀磁半导体50

2.3.1 窄禁带半导体的磁能级50

2.3.2 Hg1-xMnxTe的磁光谱53

2.4 稀磁半导体微结构56

2.4.1 稀磁半导体超晶格，磁场垂直于界面56

2.4.2 稀磁半导体超晶格，磁场平行于界面60

2.4.3 稀磁半导体量子点65

2.4.4 磁极化子效应69

2.4.5 稀磁半导体量子线72

2.5 稀磁半导体的输运性质76

2.6 Fe2+离子的稀磁半导体，van Vleck磁性79

2.7 巨Faraday和Kerr旋转80

2.7.1 磁性半导体的磁光性质81

2.7.2 磁性半导体中的时间分辨Faraday和Kerr旋转84

2.8 光致磁化87

参考文献89

第3章 铁磁半导体92

3.1 铁磁半导体Ga1-xMnxAs92

3.2 其他铁磁半导体98

3.3 费米能级工程104

3.4 团簇对铁磁性的影响108

3.5 铁磁半导体量子点110

3.6 铁磁半导体的平均场理论114

3.6.1 铁磁性的微观理论114

3.6.2 稀磁半导体中的磁相互作用117

3.6.3 铁磁半导体量子线，量子板123

3.6.4 铁磁半导体量子点128

3.6.5 铁磁半导体能带结构的第一性原理计算130

参考文献135

第4章 自旋极化电子的注入137

4.1 半导体中电子自旋的寿命和漂移137

4.2 半导体自旋晶体管144

4.3 Rashba效应148

4.3.1 Rashba效应的产生根源148

4.3.2 Rashba系数的实验测量151

4.3.3 Rashba系数的理论计算155

4.4 自旋极化电子流的产生和输运159

4.4.1 自旋电子通过半导体异质界面的相干输运159

4.4.2 自旋极化电子的注入（实验）163

4.4.3 自旋极化电子的注入（理论）169

4.5 磁性半导体隧穿结177

4.5.1 GaAs/GaMnAs异质结基本性质177

4.5.2 铁磁／非磁／铁磁三层结构性质178

4.5.3 铁磁金属和半导体接触180

参考文献185

第5章 自旋弛豫188

5.1 自旋弛豫时间T1和T2188

5.2 自旋弛豫的主要机制191

5.2.1 EY机制191

5.2.2 DP机制194

5.2.3 DP机制，在单轴形变晶体中的自旋弛豫197

5.2.4 BAP机制198

5.2.5 EY，DP和BAP机制的比较199

5.3 Ⅲ-Ⅴ族化合物中自旋弛豫的实验和理论研究200

5.3.1 光学取向方法200

5.3.2 InSb中的自旋弛豫（EY机制）203

5.3.3 GaAs中的自旋弛豫（DP机制）203

5.3.4 GaAs中的自旋弛豫（BAP机制）206

5.3.5 自旋弛豫率与受主浓度的关系207

5.4 量子阱中的自旋弛豫208

参考文献214

第6章 Rashba效应与Dresselhaus效应216

6.1 反演非对称半导体体系中自旋轨道相互作用导致的自旋分裂——Rashba效应和Dresselhaus效应216

6.1.1 有效质量近似216

6.1.2 Dresselhaus效应概述223

6.1.3 相对论量子力学推导225

6.2 Rashba系统中的自旋-轨道耦合哈密顿232

6.3 Rashba效应与能带色散234

6.4 Rashba参数α235

6.4.1 k·p公式236

6.4.2 用k·p方法处理自旋轨道相互作用237

6.4.3 八带模型238

6.4.4 五能级模型（以GaAs为例）240

6.5 从Shubnikov-de Haas振荡获取Rashba参数α243

参考文献246

第7章 半导体中电子自旋的光学响应248

7.1 光子的自旋248

7.2 半导体中光学跃迁的自旋守恒250

7.2.1 光跃迁选择定则250

7.2.2 分裂能带下的光激发251

7.3 自旋分裂系统中光注入电子自旋引发的自旋光电流254

7.3.1 圆偏光电流效应（CPGE）255

7.3.2 自旋光电流效应（SGE）259

7.4 自旋分裂系统中电场导致电子自旋极化260

7.5 Rashba效应与Dresselhaus效应的实验区分及应用262

7.6 旋光电子器件265

7.6.1 Rashba和Dresselhaus综合效应自旋场效应晶体管266

7.6.2 自旋光源——发光二极管和激光器268

7.6.3 以传导电流探测自旋流277

参考文献280

第8章 自旋相干电子的操控282

8.1 实验技术282

8.2 半导体体材料中的电子自旋相干285

8.3 半导体量子点的电子自旋相干287

8.4 半导体中自旋相干电子的空间运动292

8.4.1 半导体中没有外磁场的相干自旋操控292

8.4.2 电流感应的自旋极化294

8.5 自旋霍尔效应297

8.5.1 自旋霍尔效应的光学观测298

8.5.2 二维电子气的自旋霍尔效应303

8.6 自旋流的产生306

8.6.1 由自旋霍尔效应产生自旋流306

8.6.2 双色光场产生自旋流307

8.7 半导体中的自旋动力学313

8.7.1 几种自旋流的迁移率和扩散系数314

8.7.2 电场对自旋极化电流的效应317

参考文献319

第9章 自旋极化电子和磁畴的输运321

9.1 磁性半导体二维电子气中的自旋输运321

9.2 量子点的自旋输运328

9.2.1 铁磁性Co引线构成的双垒磁隧穿结的自旋输运328

9.2.2 与铁磁性电极耦合的半导体量子点中的近藤效应332

9.2.3 磁性半导体量子点的自旋输运理论335

9.3 磁性半导体中的磁畴输运338

参考文献342

第10章 未来的量子点、量子线自旋电子学344

10.1 量子点的电子g因子345

10.2 量子线的g因子354

10.3 电场可调的g因子359

10.4 N掺杂对电子的Rashba系数和g因子的效应362

参考文献365