[论文解读] Many-body corrections to ESR energy and spin-wave excitations in two-dimensional systems with Bychkov-Rashba spin splitting

S. S. Krishtopenko|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2013

Quantum and electron transport phenomena参考文献 57被引用 4

一句话总结

本文研究了在具有结构反演不对称性的二维系统中，由于Bychkov-Rashba自旋劈裂而引起的电子-电子（e-e）相互作用对电子自旋共振（ESR）和自旋波激发的影响。利用Hartree-Fock近似，结果表明e-e相互作用可增强或降低ESR能量，且该效应对g因子的符号和Landau能级填充因子极为敏感，尤其在ν ≤ 2时。

ABSTRACT

We report effects of electron-electron (\emph{e-e}) interaction on electron spin resonance (ESR) in perpendicular magnetic field in two-dimensional (2D) systems with Bychkov-Rashba spin splitting induced by spin-orbit interaction (SOI) and structural inversion asymmetry (SIA). Using the Hartree-Fock approximation, we demonstrate that the SIA results in non-zero many-body corrections to the ESR energy and the energy of spin wave excitations. We discover that the \emph{e-e} interaction in 2D systems with SIA not only can enhance the ESR energy but can also lead to the ESR energy reduction. The magnitude of this effect exhibits remarkable features in a wide range of parameters relevant to experiment: it is found to be rather sensitive to the sign of g-factor and the filling factor of Landau levels $ν$. We derive analytical expressions for many-body corrections to ESR energy and the dispersion of spin wave excitations for the case of $ν\leq 2$. We have found out that \emph{e-e} interaction does not affect the ESR energy in the case of filling of the lowest Landau level ($ν\leq 1$) in 2D systems with positive g-factors even at arbitrarily large values of Bychkov-Rashba constant. The many-body renormalization of ESR energy in the case of fractional Quantum Hall effect is also discussed.

研究动机与目标

• 研究电子-电子（e-e）相互作用在二维系统中Bychkov-Rashba自旋劈裂条件下对电子自旋共振（ESR）能量的影响。
• 研究多体修正如何影响在外加垂直磁场下自旋波（SW）激发的色散关系。
• 确定ESR能量位移对g因子符号和Landau能级填充因子ν的依赖性。
• 推导ν ≤ 2时ESR能量和自旋波色散的多体修正的解析表达式。
• 阐明在何种条件下e-e相互作用不会影响ESR能量，特别是在g因子为正的最低Landau能级中。

提出的方法

• 采用Hartree-Fock近似（HFA）计算单粒子ESR能量和自旋波激发能量的多体修正。
• 使用单带有效质量近似建模系统，其中包含线性动量依赖的Bychkov-Rashba自旋轨道耦合项。
• 考虑垂直磁场和Landau能级量化的影响，重点关注填充因子ν ≤ 2的情况。
• 推导ESR能量和自旋波色散的多体修正的解析表达式，包括交换和关联效应的贡献。
• 分析ESR和SW能量位移对Bychkov-Rashba常数α、g因子符号和填充因子ν的依赖性。
• 对比不同α值（0, 0.3, 0.5 eV·Å）和g*值（±0.4）的结果，揭示对系统参数的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 电子-电子相互作用如何改变具有Bychkov-Rashba自旋劈裂的二维系统中的电子自旋共振（ESR）能量？
• RQ2 多体ESR能量修正对g因子符号和Landau能级填充因子ν的依赖性如何？
• RQ3 在何种条件下电子-电子相互作用不会影响此类系统中的ESR能量？
• RQ4 Bychkov-Rashba自旋劈裂常数α如何影响自旋波激发的色散关系？
• RQ5 ν ≤ 2时，ESR能量和自旋波色散的多体修正的解析表达式是什么？

主要发现

• 在具有结构反演不对称性（SIA）的二维系统中，e-e相互作用导致ESR能量出现非零的多体修正，这与具有自旋旋转对称性的系统相反。
• e-e相互作用可增强或降低ESR能量，具体取决于g因子的符号和Landau能级填充因子ν。
• 对于ν ≤ 1且g因子为正的情况，即使Bychkov-Rashba常数任意大，e-e相互作用也不会影响ESR能量。
• ESR能量的多体修正随磁场变化表现出振荡行为，对g因子符号和ν具有强烈敏感性。
• 自旋波激发的色散关系显著受Bychkov-Rashba常数α影响，其色散关系中包含波矢k的线性、二次和常数项贡献。
• 当ν = 1且g* > 0时，自旋波能量的多体位移在k → 0时趋于零；而当g* < 0时，小k区域的负位移更为显著。