惰性气体核的自旋交换光抽运中的物理

核自旋极化的惰性气体原子在诸如核物理、材料科学和磁共振成像等许多领域中都有着广泛的应用,核自旋极化技术涉及领域很广,包括原子、分子和光学物理等等。评述了光抽运和自旋交换碰撞中角动量转移和损失的物理。     

激光极化气体能对肺部成像

普林斯顿大学研究人员最近研究出一种新的磁共振成像 (MRI)法 ,用激光极化稀有气体氦和氙作为吸入剂产生肺部图像。这项研究吸引了该地区周围各大医院的注意。用光抽运可加强 3He和 1 2 9Xe原子核的极化。激光极化气体进入呼吸系统后能在肺气管中立即成像。这项技术已成功运用于自愿者和患者研究上。光抽运和“自旋交换”现象是3He和 1 2 9Xe同位素极化加强的关键 ,使它更易被磁共振认出。光抽运时碱金属 Rb在小加热室 (温度达约 1 80°C)中汽化。将激光调谐至 795 nm共振态 ,在蒸汽中近 1 0 0 %产生电子自旋极化 ,在 5 0～ 1 0 0 cc密…     

自旋阀中的极化输运与相关自旋新材料及结构研究

电子既是电荷的载体又是自旋的载体。电子作为电荷的载体,使二十世纪成为了微电子学的天下。而随着1988年巨磁电阻(GMR)效应发现以来,通过操纵电子的另一量子属性——自旋,使新一代的电子器件又多了一维控制手段。电子自旋的研究涵盖了金属磁性多层膜、磁性氧化物、磁性半导体等众多体系,探寻这些体系中自旋输运的基本原理是研究的重点。目前,基于传统自旋阀中极化输运及自旋电子学的发展,对新材料和新结构的研究尚不成熟,还有众多科学问题亟待解决,诸如:如何在室温下获得更大的巨磁电阻变化率、提高器件的稳定性及灵敏度、自旋阀中交换偏置场产生的物理根源、实现自旋同半导体完美结合的材料、结构及方法等。因此,基于国内外自旋电子学研究的重点,首先围绕最基本的自旋阀纳米多层膜结构,开展了自旋阀多层膜制备、设计、结构优化、自旋阀交换偏置核心结构物理机制探索等研究;其次,提出了三种异质结新结构,并以大自旋极化率Fe3O4磁性半金属为核心材料,开展了自旋阀、新异质结研究;最后,在理论与材料研究的基础上,对自旋器件进行了设计与实验研究,获得了一些有益的结果:(1)理论方面,基于自旋电子器件进一步发展对新结构、新材料发展的需求,提出了磁性半导体/半导体、磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料的新自旋异质结模型。理论分析发现,利用磁性半导体/半导体异质结,在负偏压的作用下可实现自旋电子的极化输运,而利用磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料异质结可实现趋于100%的磁电阻变化率。另外通过计算,对可实现的磁阻效应及对材料的要求进行了详细研究,为新材料的应用奠定了一定的理论基础。(2)虽然基于自旋阀核心结构的自旋电子器件研究已开展了多年,但如何进一步提高自旋电子器件的磁电阻效应、灵敏度、工作范围、工作稳定性和解决这些问题的物理机制,仍是自旋电子学中的一个热点。因而,首先基于Mott二流体模型发现自旋阀巨磁电阻受磁性材料、非磁性材料、自旋极化率、自旋扩散长度、厚度、尺寸、电阻率等影响明显,因而可通过改善制备工艺条件及各层的材料、厚度改善自旋阀的性能,探寻提高巨磁电阻变化率、灵敏度等的有效途径。其次,以理论分析为指导,实验上首先制备Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn传统自旋阀多层膜,研究了自由层、隔离层、钉扎层、反铁磁层厚度对巨磁电阻效应的影响,找到了最佳的制备工艺;其次,研究了缓冲层材料对自旋阀灵敏度、巨磁电阻效应的影响。发现由于缓冲层元素表面自由能的影响导致了自旋阀灵敏度的改变,指出选择适当表面自由能的缓冲层,可有效改善自由层薄膜的性能,为提高器件的灵敏度提供了有效的途径;最后,基于室温磁场下制备自旋阀交换偏置场较小、工作范围较窄的问题,通过对传统结构的改进,提出了新型双交换偏置场自旋阀模型,为增大器件工作稳定性、人为调制器件工作范围,提供了有效手段。(3)交换偏置在自旋电子器件中具有核心地位,但到目前为止,其产生的物理根源、影响其大小的因素仍是未解决的难题。因而,基于自旋阀的核心结构——铁磁/反铁磁交换偏置效应,研究了NiFe/FeMn双层膜钉扎层、被钉扎层厚度、材料微结构、底钉扎、顶钉扎结构等对交换偏置的影响,分析了交换偏置产生的物理根源;研究了制备磁场大小对钉扎场大小的影响,发现了利用大磁场可实现提高交换偏置的新方法,并利用52kA/m(650Oe)的大磁场在1~2nm的NiFe钉扎层中实现了接近48kA/m(600Oe)的交换偏置场。(4)基于自旋阀测试,研究了初始测试磁场平行与反平行于交换偏置场方向,测试电流的大小对交换偏置场的影响。并用大脉冲电流,在初始测试磁场反平行于交换偏置场方向的样品中,首次实现电流矩在电流沿膜面流动自旋阀结构中对钉扎场的翻转,为铁磁/反铁磁双层膜体系产生交换偏置的机理提供了新的研究途径,并对自旋阀的应用提出了新的挑战。(5)为探寻高自旋极化率的新材料,开展了半金属磁性材料Fe3O4薄膜制备工艺的研究。通过改变溅射功率、退火温度、缓冲层、磁场沉积等,在200W溅射功率、300℃的退火温度、24kA/m(300Oe)沉积磁场的最佳条件下获得了高晶粒织构、成分单一的Fe3O4薄膜,并通过对氧气氛的调节,实现了无缓冲层高性能Fe3O4薄膜的制备。(6)利用所制备的Fe3O4薄膜,进行了基于Fe3O4自旋阀的制备,发现Fe3O4薄膜同其它金属材料间电阻率的失配,是造成巨磁电阻效应低的原因;另外,基于理论提出的磁性材料/半导体异质结,制备了Fe3O4/n-Si纳米结,初步实现了磁性材料到半导体的自旋注入与输运。     

磁性材料、超导材料和器件

TM27 2003050042一种电流放大型自旋晶体管/葛永华,汪仲诚(上海大学)挤上海大学学报,一2003,9(2)一162一166,171该文提出了一种电流放大型自旋晶体管设计思想,并对其电流放大系数作了一定的分析讨论.自旋晶体管中的电流放大系数主要取决于注人基区的自旋极化电子的极化程度,基区中自旋的驰豫时间及基区的宽度.图9参8(木)旦大学)口物理学进展.一2003,23(l)一62一81铁磁/反铁磁交换偏置在巨磁电阻器件中具有重要的作用,引起了物理学及材料学等领域内广大科学家的浓厚兴趣.文中首先阐述了交换偏置的基本性质;然后简述了交换偏置的实验研究方法…     

低阈值宽调谐PPLN光参量振荡

用半导体激光 (LD)抽运的声光调QNd∶YVO4 激光器做抽运源 ,实现了准位相匹配的光参量输出 ,其调谐范围为 1 4 36～ 1 7μm。非线性光学介质是多周期极化的LiNbO3 (PPLN)。光参量振荡阈值 10 3μJ(脉宽 2 2ns) ,在抽运光达到阈值 3 3倍的条件下 ,信号光输出能量 4 2 5 μJ ,斜效率 12 5 %。     

铷原子磁力仪最佳抽运光强的研究

为了得到铷原子磁力仪的最佳抽运光强,进而优化原子磁力仪的灵敏度,理论分析了抽运光强与磁力仪的极化率、信噪比以及灵敏度之间的关系,设计了实验装置。采用自由感应衰减法对直径20mm的铷原子球形气室在不同抽运光强下对应的横向弛豫时间进行测量,并对相应的纵向弛豫时间进行测量,计算出了不同光强下的极化率,通过拟合得到了光强与极化率、信噪比以及灵敏度之间的关系曲线。结果表明,可在10mW/cm2附近得到系统最佳抽运光强。此研究结果为提高光强利用率并进一步优化铷原子磁力仪的灵敏度提供了指导。     

SiGe/Ge/SiGe异质结构中自旋极化输运特性的模拟

利用蒙特卡罗方法对SiGe/Ge/SiGe异质结构的自旋极化输运特性进行了模拟研究.在Ge沟道调制掺杂异质结构形成的二维空穴气中,空穴的自旋进动主要受Rashba自旋轨道相互作用控制.在77～300K的温度范围内,对自旋散射长度、自旋极化率等自旋极化输运特性进行了研究.模拟结果显示,低温和窄宽度沟道有利于减小散射对自旋极化输运的影响,避免自旋极化率衰减,增大自旋散射长度.栅控的漏端电流自旋相关效应使器件跨导增大,并产生负跨导效应.     

SiGe/Ge/SiGe异质结构中自旋极化输运特性的模拟

利用蒙特卡罗方法对SiGe/Ge/SiGe异质结构的自旋极化输运特性进行了模拟研究．在Ge沟道调制掺杂异质结构形成的二维空穴气中,空穴的自旋进动主要受Rashba自旋轨道相互作用控制．在77～300K的温度范围内,对自旋散射长度、自旋极化率等自旋极化输运特性进行了研究．模拟结果显示,低温和窄宽度沟道有利于减小散射对自旋极化输运的影响,避免自旋极化率衰减,增大自旋散射长度．栅控的漏端电流自旋相关效应使器件跨导增大,并产生负跨导效应．     

钠氙范得瓦尔分子自旋—转动角动量耦合常数的测定

1985年Z.Wu等人提出了碱金属—惰性气体范得瓦尔分子自旋—转动角动量耦合系数γ的计算理论。理论提出自旋—转动相互作用γN·S主要归因于在惰性气体原子内的自旋—轨道相互作用,与碱金属自旋—轨道相互作用几乎无关。实验上只有很少的几对碱金属与惰性气体原子对被测量过。本文我们报导对钠氙分子自旋—转动耦合常数γ的实验测量。我们的结果与已测量的钾氙,铷氙、铯氙分子的自旋—转动耦合常数值相接近,与理论的预测     

自旋电子学研究的最新进展

自旋极化电子的高效注入、自旋霍尔效应和自旋流的产生与探测都是目前自旋电子学中热门研究专题,世界一些著名学术刊物屡见报道。对这些重要内容的理论和实验的最新研究成果进行了介绍。通过自旋极化电子高效注入方法和材料的研究,人们期望研制出新一代自旋电子器件,进而实现应用电子自旋传输、记录和存储信息的目标。近期实验给出,自旋极化电子从铁磁金属注入半导体和金属都获得较高的极化率。各种注入方法中,自旋流直接注入法目前备受关注,因为自旋霍尔效应为自旋流的产生与探测提供了新的途径,即自旋霍尔效应可以产生自旋流,但因无霍尔电压故不容易测量;而逆自旋霍尔效应又将自旋流转化为电流,使得难以测量的自旋流又可以直接用电学方法测量。     

Ionization‐Facilitated Formation of 2D (Alumino)Silicate–Noble Gas Clathrate Compounds

The nanoscale confinement of noble gases at noncryogenic temperatures is crucial for many applications including noble gas separations, nuclear waste remediation, and the removal of radon. However, this process is extremely difficult primarily due to the weak trapping forces of the host matrices upon noble gas physisorption. Herein, the formation of 2D clathrate compounds, which result from trapping noble gas atoms (Ar, Kr, and Xe) inside nanocages of ultrathin silica and aluminosilicate crystalline nanoporous frameworks at 300 K, is reported. The formation of the 2D clathrate compounds is attributed to a novel activated physisorption mechanism, facilitated by ionization of noble gas atoms. Combined X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS) and density functional theory (DFT) studies provide evidence of an initial ionization process that significantly reduces the apparent trapping barrier. Noble gas ions become neutralized upon entering the cages, and their desorption requires unprecedentedly high temperatures, even in ultrahigh vacuum conditions. From 2D aluminosilicate films these temperatures are 348 K (Ar), 498 K (Kr), and 673 K (Xe). DFT calculations also predict that Rn can be trapped in 2D aluminosilicates with an even higher desorption temperature of 775 K. This work highlights a new ionization‐facilitated trapping mechanism resulting in the thinnest family of clathrates ever reported.     

核磁共振陀螺反馈环路中滤波器的影响研究

为了分析核磁共振陀螺中129Xe自旋振荡器的振幅和频率特性,建立了相应的半经典模型,其中分别采用密度矩阵和经典电磁理论描述核自旋系综和反馈系统。然后,根据自激振荡的自洽条件推导了用于描述自旋振荡器的振荡方程。进一步,利用旋转波近似和慢变振幅近似将振荡方程化简为自洽方程组,它由分别用于描述自旋振荡器振幅和频率的振幅方程和频率方程构成。基于上述自旋振荡器的半经典模型,研究了带通滤波器对自旋振荡器振幅和频率的影响。仿真结果表明,对核磁共振陀螺的典型参量,反馈环路设计不当导致的自旋振荡器频移可达亚μHz。该研究对提高基于自旋振荡器的核磁共振陀螺性能具有一定的参考价值。     

Dirac Cone Spin Polarization of Graphene by Magnetic Insulator Proximity Effect Probed with Outermost Surface Spin Spectroscopy

The effects of the proximity contact with magnetic insulator on the spin‐dependent electronic structure of graphene are explored for the heterostructure of single‐layer graphene (SLG) and yttrium iron garnet Y₃Fe₅O₁₂ (YIG) by means of outermost surface spin spectroscopy using a spin‐polarized metastable He atom beam. In the SLG/YIG heterostructure, the Dirac cone electrons of graphene are found to be negatively spin polarized in parallel to the minority spins of YIG with a large polarization degree, without giving rise to significant changes in the π band structure. Theoretical calculations reveal the electrostatic interfacial interactions providing a strong physical adhesion and the indirect exchange interaction causing the spin polarization of SLG at the interface with YIG. The Hall device of the SLG/YIG heterostructure exhibits a nonlinear Hall resistance attributable to the anomalous Hall effect, implying the extrinsic spin–orbit interactions as another manifestation of the proximity effect.     

Dynamic nuclear self-polarization of Ⅲ-Ⅴ semiconductors

Ⅲ-Ⅴ semiconductors exhibit dynamic nuclear self-polarization (DYNASP) owing to the contact hyperfine interaction (HFI) between optically excited conduction electrons and lattice nuclei.In the self-polarization process at a low temperature,electron spin state and the nuclear polarization (magnetization) exchange a positive feedback,increasing energy splitting of the conduction electron states,thereby a large nuclear polarization.This phenomenon was theoretically predicted previously for conduction electrons excited linearly and elliptically polarized light.The polarization of the conduction electrons was represented by a parameter α in a formula for nuclear polarization (Eq.(9) in Ref.[1]);however,the effect of external magnetic fields on the nuclear polarization was not considered.Therefore,this study introduces this effect by further extending the previous studies.Herein,α'represents the combination of the effects of elliptically polarized electrons and an external magnetic field,which is used in the equations presented in previous studies.When α'=0,a large nuclear polarization is obtained below critical temperature Tc,but no polarization occurs above Tc.When α'＞ 0,the nuclear polarization is enhanced above Tc.Below Tc,the nuclear polarization follows a hysteresis curve when α'is partially manipulated by adjusting the degree of the polarization of the exciting laser.     

Narrowband external cavity laser diode arra

A laser diode array line narrowing using an external cavity with a holographic grating is demonstrated. A linewidth of 11 GHz is obtained at an operating wavelength of 852 nm with an output power of about 10 W. Narrow linewidth high-power diode arrays can be used to pump alkali lasers and to produce spin polarised noble gases     

反平行磁电垒结构中二维电子气体的输运性质

 本文对反平行磁电垒结构中二维电子气体的输运性质进行了详细的研究.利用传递矩阵的方法计算了电子气体隧穿磁电垒结构的传输概率和电导率,讨论了电势垒高度的变化对传输概率和电导率的影响.结果表明,该系统中不存在自旋过滤和自旋极化现象,电子气体可实现理想的共振隧穿,波矢过滤等.     

光抽运自旋极化固态129Xe

用半导体激光抽运极化129Xe气体,在80-SY核磁共振谱仪上单次采样得NMR信号,信噪比大于100,信号增强因子大于103,降温凝固成固态后,其信噪比大于50,初步测得固态(约80K)129Xe弛豫时间为4400s.     

A study of the secondary electron yield γ of insulatorcathodes for plasma display panels

In order to provide a guideline in the search for the optimum cathode materials for plasma display panels (PDPs), formulas for the simple calculation of the secondary electron yield γ were derived from Hagstrum's theory for an insulator without impurity levels. From these, we obtained the generalized relations between γ and the band parameters of an insulator and the potential energy of an incident particle, which is an ion or a metastable atom. Unlike metals, it is not work function but the sum of band gap and electron affinity that essentially contributes to γ of an insulator, By applying these formulas, the γ values of BaO and MgO for He, Ne, Ar, Kr, and Xe ions and metastable atoms were practically calculated. In particular, the metastable atom-induced γ values of these insulators were calculated for the first time. The γ values of these insulators for these noble gas ions are determined by Auger neutralization only. As for MgO, which is at present the most useful insulator cathode for PDPs, the γ values for Kr and Xe ions become zero. These calculated γ values of MgO for all noble gas ions were compared with experimental results reported previously     

Optical and electronic manipulation of spin coherence in semiconductors

Understanding how to manipulate and store information in the form of electronic and nuclear spin states may lead to exciting applications in quantum computing and spintronics. Electron spin polarization in semiconductors can be prepared optically and then manipulated using optical, electronic, and magnetic techniques. Optical studies of electron spin states reveal long coherence times in semiconductors, heterostructures, and quantum dots. Electron spin packets can be transported in a semiconductor and across heterojunctions with electric fields. Recent experiments demonstrate the possibility of performing quantum operations on electron spin states using femtosecond optical pulses or electrical gating. In addition, nuclear spin states can be controlled by their interactions with either periodically-excited electrons or ferromagnetic overlayers.     

Xe矩阵晶体中准分子Xe_2~＋Cl~－跃迁辐射能量计算

本文计算了Ｘｅ掺杂Ｃｌ矩阵晶体中经激光辐照形成的离子准分子Ｘｅ２＋Ｃｌ－体系的能量。由于极化和与固态Ｘｅ原子的色散相互作用，其能量与气体中的不同。计算表明Ｘｅ２＋Ｃｌ－准分子电子态跃迁对应于实验观测到的辐射。