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Bloch电子的磁性是固体理论中一个广泛研究的课题,近年来技术应用与理论研究的进展推动对其认识不断深入,在一些新现象、新效应不断发现的情况下,这一领域的研究极其活跃正不断吸引新的研究兴趣。尤其是,对于应用广泛的二维半导体材料,其轨道磁化以及在强磁场中的磁化强度的研究是探测材料基本性质的重要手段,对凝聚态物理的实验和理论研究都具有重要价值,值得详细研究。本文主要讨论了关于二维半导体材料磁性研究的三个问题。
第二章理论研究了存在Rashba自旋轨道相互作用和塞曼场时两类常见半导体n型(电子掺杂)和p型(空穴掺杂)半导体一中的轨道磁矩。研究发现:塞曼场的存在使得时间反演对称性破缺,进而导致系统具有有限轨道磁矩。计算结果表明:在实验参数可控范围内,p型半导体中轨道磁矩的量级约为0.01-0.1有效玻尔磁子,而n型半导体的轨道磁矩保持为零。另外,我们还计算了这两类半导体的霍尔电导。在实验参数可控范围内,p型半导体的霍尔电导约为0.1-1个电导量子,是n型半导体的103倍。
在第三章,从理论上研究了垂直磁场中具有边界态的二维重空穴气体系统中的磁化强度的dHvA振荡,重点讨论了边界态效应和Rashba自旋轨道耦合相互作用对磁化强度的影响。结果表明边界态和Rashba自旋轨道耦合的效应在磁场B比较大的时候不重要;然而,当外磁场不是很大时,边界态效应和自旋轨道耦合的影响较为显著。首先,如果存在边界态效应,磁化强度的dHvA振荡中心向上偏移,振荡幅度变小。边界态对总磁化强度的贡献大致与1/B2和1/L保持线性关系。如果存在Rashba自旋轨道耦合,锯齿形振荡结构反转,拍频模式出现。另外,温度效应会弱化轨道磁化强度的dHvA振荡模式,随着温度的升高,来源于Zeeman劈裂和Rashba自旋轨道耦合的效应会变得模糊。但温度不会改变系统边界所带来的影响。
第四章从将第三章的内容拓展到更普遍的二维空穴气体系统,理论上研究了该系统处在垂直磁场中具有边界态时磁化强度的dHvA振荡,重点讨论了边界态以及Rashba自旋轨道耦合效应对磁化强度振荡的影响。在二维空穴气体系统中边界态的效应与二维重空穴气体情况类似。结果还表明,Luttinger型自旋轨道耦合不会在磁化振荡曲线上形成拍频模式,而Rashba型自旋轨道耦合效应则在dHvA振荡曲线上的低磁场区域引起拍频模式的出现,减小了振荡振幅,与没有Rashba自旋轨道耦合情形相比在低磁场区域出现相位变化。