近日，中国科学院物理所凝聚态理论与材料计算实验室的施均仁研究员及其合作者深入研究了自旋流的概念，纠正了自旋流的传统定义，提出了自旋流的正确定义，解决了自旋电子学领域的一个基本问题，对后续的研究有着重要的意义。结果发表在美国《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett.96,076604 (2006))上。
自旋电子学是当前凝聚态物理中新兴的研究领域，目标在于用电子的自旋代替传统的电荷作为信息的载体，实现新一代更高性能的电子元件和信息技术。在传统电子学中，电流是最基本的概念之一，描述了电荷的输运过程。相应的，自旋流在自旋电子学中是描述自旋输运的至关重要的概念。如何正确定义自旋流是一个有基本意义的理论问题。
早期的理论研究一般将自旋流简单地定义为自旋算符与电子速度的乘积，类比于电流是电子电荷与电子速度的乘积。然而，这种定义忽略了自旋与电荷的根本不同：在一般系统中，自旋并不守恒。这个问题在最近的关于自旋霍尔效应的研究中变得特别突出：自旋霍尔效应所赖于产生的自旋―轨道耦合让电子自旋有内禀的量子演化，而传统定义的自旋流并不能与实验观测的自旋积聚直接关联。
最近，物理所凝聚态理论与材料计算实验室的施均仁研究员与北京应用物理和计算数学研究所的张平研究员，University of Texas at Austin的牛谦教授及其博士生肖迪合作，深入研究了自旋流的概念。他们发现，传统定义的自旋流是不完整与不可测量的。正确定义的自旋流算符应该是自旋位移算符(即自旋与位置算符的乘积)对时间的全导数。只有这样定义的自旋流才能满足非平衡态热力学的基本要求，从而可以在实验中直接地测量。作为一个真正描述自旋输运的概念，这样定义的自旋流具有应有的性质，即在绝缘体中严格为零。
这个工作解决了自旋电子学领域的一个基本问题，对后续的研究有着重要的意义。例如，日本的Nagaosa小组利用这个定义对半导体材料中的自旋霍尔效应重新作了计算，发现在只有非磁性杂质的半导体材料中并不存在自旋霍尔效应，这与先前的结论完全不同。
此外，物理所王永、夏钶与理论物理所的苏肇冰、北京大学的马中水合作，对如何在材料中实现自旋注入、自旋控制和自旋检测等自旋电子学基础问题进行了有益的探索。他们从包含有Dirac场与Maxwell场的相对论拉氏密度出发，基于Noether定理，系统和严格的研究了与自旋相关的非相对论近似下的守恒流。结果发现，Maxwell方程中起着重要作用的是由于磁矩运动而产生的电偶极矩，该电偶极矩与自旋流张量的反对称部分相关。通过电场对该电偶极矩施加的力与力矩的测量，可能实现自旋流的探测。研究结果发表在美国《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett.96,066601(2006))上。 |
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