[论文解读] Mesoscopics in Spintronics: Conductance Fluctuations of Spin-Polarized Electrons

Branislav K. Nikolić, J. K. Freericks|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2001

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

本文利用实空间⊗自旋空间格林函数，发展了一套类似Landauer的理论形式，用于研究具有Rashba自旋轨道耦合和无序的二维量子相干系统中的自旋极化输运。研究发现，强Rashba耦合会抑制局域化并引发异常的量子干涉效应，导致在特定自旋极化与无序条件下，平行与反平行磁化构型之间的电导差呈现负值。

ABSTRACT

We generalize a Landauer-type formula, using a real$\otimes$spin-space Green function technique, to treat spin-dependent transport in quantum-coherent conductors attached to two ferromagnetic contacts. The formalism is employed to study the properties of components of an exact zero-temperature conductance matrix ${\bf G}$, as well as their mesoscopic fluctuations, describing injection and detection of a spin-polarized current in a two-dimensional system where electrons exhibit an interplay between Rashba spin-orbit (SO) coupling and phase-coherent propagation through a disordered medium. Strong Rashba coupling leads to a dramatic reduction of localization effects on the conductances and their fluctuations, whose features depend on the spin-polarization of injected electrons. In the limit of weak Rashba interaction antilocalization vanishes (i.e., the sum of the matrix elements of ${\bf G}$ is almost independent of the SO coupling), but the partial spin-resolved conductances can still be non-zero. Besides spin-resolved conductance fluctuations and antilocalization, unusual quantum interference effects are revealed in this system leading to a negative difference between the partial conductances for a parallel and an antiparallel orientation of the contact magnetization, in a range of disorder strengths and for a particular spin-polarization of incoming electron with respect to the direction of Rashba electric field.

研究动机与目标

• 将Landauer形式推广至包含铁磁接触的量子相干导体中的自旋依赖输运。
• 研究Rashba自旋轨道耦合如何影响无序二维电子系统中的电导涨落与局域化效应。
• 分析自旋极化电子注入、相位相干性与自旋轨道耦合在介观输运中的相互作用。
• 在不同无序与自旋极化条件下，揭示自旋分辨电导中的新型量子干涉效应。

提出的方法

• 采用实空间⊗自旋空间格林函数技术，将Landauer公式推广至自旋依赖输运。
• 该形式理论精确计算具有Rashba自旋轨道耦合系统的零温电导矩阵G。
• 该方法考虑了无序介质中相位相干传播以及来自铁磁接触的自旋极化注入。
• 电导涨落作为Rashba耦合强度、无序度以及自旋极化方向相对于Rashba场的函数进行分析。
• 该方法可计算平行与反平行磁化构型下的部分电导及其涨落。
• 结合数值与解析解，研究电导矩阵元在不同自旋轨道与无序参数下的行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 Rashba自旋轨道耦合如何影响自旋极化介观系统中的电导涨落与局域化？
• RQ2 自旋极化方向相对于Rashba电场的作用在决定电导各向异性中起什么作用？
• RQ3 在强Rashba耦合下，反局域化效应是否可能被抑制或改变？
• RQ4 平行与反平行磁化构型之间部分电导差为负的原因是什么？
• RQ5 在特定无序与自旋极化条件下，自旋分辨输运中会涌现出何种新型量子干涉效应？

主要发现

• 强Rashba耦合显著降低了自旋极化系统中电导及其涨落的局域化效应。
• 在弱Rashba耦合极限下，反局域化消失——电导矩阵元之和几乎与自旋轨道耦合无关。
• 即使反局域化消失，部分自旋分辨电导仍保持非零，表明自旋依赖输运持续存在。
• 异常的量子干涉效应导致平行与反平行磁化构型下部分电导差为负。
• 该负电导差在特定自旋极化方向相对于Rashba场且在一定无序强度范围内出现。
• 研究结果揭示了电导涨落对Rashba耦合的非单调依赖关系，不同自旋通道表现出显著不同的行为。