“百人计划”入选者终期考核评估表单

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1、 中国科学院“百人计划”入选者中国科学院“百人计划”入选者 终期考核评估表终期考核评估表 单 位单 位_中国科学技术大学_ 姓 名姓 名_吴明卫_ 从事专业从事专业_凝聚态物理_ 入选年度入选年度_2000 年_ 是否获得院资助 是否获得院资助 入选者现任职务 入选者现任职务 教授，博士生导师 到岗工作时间到岗工作时间_2002_年_1_月 年在岗工作时间 年在岗工作时间_11_个月 中国科学院人事教育局制中国科学院人事教育局制 说 明 一、请入选者实事求是地填写表中内容。 二、封面中的“入选时间” 、 “到岗工作时间” 、 “年在岗工作时间”必 须填写，否则视材料无效。所在单位需在封皮“单位

2、”处加盖单 位公章。 三、入选者还需附入选者与招聘单位签定的工作任务书，中期检查有 关材料，获奖证明等相关材料。 研研 究究 工工 作作 进进 展展 总总 体体 情情 况况 （包括已完成科学目标、 成果在该领域所处地位、 发表论文论著、 获奖和经费情况、实验室环境、人才队伍建设） 三年来， 围绕着自旋电子学中自旋的进动、驰豫、去相位以及自旋输运这 些重要问题，我们从多体、单体以及介观物理三个层面展开研究，并取得了一定 的成果，完成了“百人计划”工作任务书中预定的工作任务和目标。尤其在多体 方面，我们做了一系列有特色的创新性工作。此外，我们也在量子纠缠，电子- 空穴液滴的动力学以及 TMR 方面

3、也开展了一点工作。 主要研究成果： 主要研究成果： 建立了一套建立了一套n n型半导体中自旋进动及去相位的多体动力学理论， 提出了一种新的 自旋去相位机制： 型半导体中自旋进动及去相位的多体动力学理论， 提出了一种新的 自旋去相位机制： 以前所有的自旋动力学理论全是建立在几十年前的单电子图象上的， 因而无 法解释一些实验结果（如自旋去相位（dephasing）时间随温度增加等） 。我们最 早给出了建立在多体基础上的自旋动力学理论。 这一理论可以完整地描述电子及 其自旋被飞秒激光激发后随时间的演化的全过程以及电子电子、电声子、电 子杂质相互作用引起的电子自旋相干性、 电子光学相干性的去相位和能量

4、的弛 豫。在这一新的理论基础上，我们还提出了一个新的自旋去相位机制，即由自旋 守恒散射导致的自旋去相位（而以前的自旋去相位机制，需要有自旋翻转(spin flip)或有效自旋翻转散射） ，这是以前单电子理论完全无法给出的；此外，根据这 一机制，我们最早指出了电子电子相互作用可以导致自旋的去相位，而以前所 有文献中都指出，电子电子相互作用对自旋地去相位是没有贡献的。目前，国 际上认为电子电子相互作用对自旋去相位有贡献的除了我们以外， 尚有俄罗斯 的 Ivchenko 研究组。但是，后者只研究了电子电子的两体相互作用，因而只 在低温下(100K)有贡献，而我们的理论却包括了多体相互作用：我们发现在

5、高 温下电子电子散射也有很大的贡献。此外，在我们的多体理论中，电子的分布 函数及自旋的关联函数都是自洽求解得到的。因此，不仅包括了由于 Dresselhaus 及 Rashba 自旋轨道耦合对动量的依赖导致的自旋进动的非均匀(Inhomogeneous broadening)导致的自旋去相位，而且还包含了由于散射对非均匀扩展的反作用， 这在其他理论中都没能讨论。 我们的研究表明， 这一长久以来被忽略的自旋去相位机制在 n 型半导体的自 旋去相位中起了决定性的作用。 我们发现在现在广泛关心的 n 型半导体的自旋去 相位是完全由多体机制导致的，而不是像以前认为的完全由单体效应决定。我们 基于多体理

6、论得到的自旋去相位时间与温度关系、杂质浓度关系，与现在单体理 论得到的结果完全相反，但是同实验结果很好地符合。 在这一理论框架下，我们研究了不同的 n 型半导体量子阱、量子线以及体材 料中的自旋动力学，解释了很多实验并提出了大量的预言。 远离平衡态的自旋动力学理论： 远离平衡态的自旋动力学理论： 由于我们成功地解决了电子电子库仑散射计算量极大、 难以处理的瓶颈问 题，在我们的多体理论基础之上，我们可以突破目前国际上通用理论只能处理单 体问题及近平衡问题（小自旋极化）的局限，研究自旋在远离平衡条件下的多体 动力学。这里我们说的远离平衡指的是大的自旋极化以及在强电场下的问题。 在大自旋极化下，我们

7、发现了一系列意想不到的现象，并且找到了导致这些 现象的物理机制；此外，我们成功地将热电子效应引入了自旋电子学，这在自旋 电子学领域中尚属首次。众所周知，半导体热电子效应是由于小样品两端小的电 位差可以对应于一个极大的电场，从而导致的远离平衡的效应。以往在电的输运 中已有广泛研究，所用的方法无外乎 Monte Carlo 方法及平衡方程方法。在引入 自旋轨道耦合后，上面两种方法都无法真正地描述在强场下的自旋的动力学。而 在我们的理论框架中，这一效应可以得到很好的描述，并给出了很多预言。进一 步地，我们引入了多带的自旋动力学，在近、远离平衡下第一次明确了为什么有 时自旋去相位时间会随温度上升，而有

8、时却下降。 近远离平衡下的多体自旋输运理论： 近远离平衡下的多体自旋输运理论： 我们成功地将上述自旋动力学理论推广到含空间自由度的自旋扩散及输运 体系，并建立了一套多体输运方程。在我们工作前的自旋扩散输运理论，全是 建立在只含有自旋电荷密度的单电子漂移扩散(drift-diffusion)方程的框架下。 我们指出虽然单电子漂移扩散方程可以成功地揭示很多电荷的输运性质， 但是 却无法完全描述自旋的扩散，而需要把自旋的关联也引入进来。此外，在基于漂 移扩散方程的输运理论中，扩散系数、迁移率、自旋去相位机制之一或者全部 是作为系数人为加入的，且无法处理远离平衡的体系及处理多体效应。在我们的 理论中，

9、 上述量完全是通过自洽地求解包含所有散射的自旋动力学方程并联立泊 松方程得到的，并且可以讨论多体效应及远离平衡的问题。在我们多体理论的基 础之上，我们还提出了在自旋扩散过程中的一个新的自旋去相位机制：即由于不 同动量的电子的自旋随着空间梯度扩散时的进动不同（另一种非均匀扩展）导致 的自旋去相干。 我们利用该理论，做了一系列工作，仔细地讨论了在平衡及远离平衡的各种 单体及多体的自旋输运特性， 得到并预言了大量有趣的结果。 特别是， 我们在2003 年月发表的文章中最早预言的在没有磁场时， 自旋波包在扩散过程中可以发生 自旋极化翻转及震荡（这正是由于在自旋输运方程中包含了自旋关联的结果） ， 随后

10、被Clarkson大学的Y. V. Pershin用包含了自旋关联的Monte Carlo模拟所重复 (cond-mat/0311223)，并与2004年底被Los Alamos的S.A. Crooker及D.L.Smith实验 所证实(cond-mat/0411461)注： Pershin的文章中引用了我们的结果， 但是Crooker及Smith 的文章中没有引用我们的工作。 单体的自旋电子学工作： 单体的自旋电子学工作： 自旋电子学的可能应用中，包含了用于量子计算的量子位，这就需要对单电 子的自旋驰豫有透彻的了解。独立于多体的自旋电子学研究，我们引入了对于单 个自旋的研究。对于电子在量子点

11、中的自旋迟豫，尽管这一方面已有很多工作发 表，但都是用微扰论的方法，用最低几个不含自旋轨道耦合的能级波函数作为基 底来计算自旋驰豫时间。我们研究发现，虽然在低温时，用较少的几个能级作为 基，就可以收敛加入自旋轨道耦合后的量子点的最终能级，但是，当计算自旋 驰豫时，却需要用大量的能级作为基。这是由于自旋轨道耦合很强的结果。计 算表明，严格对角化方法得到的自旋寿命，比用文献中用的微扰论方法得到的自 旋寿命大个量级。此外，我们还指出了文献中广泛用地微扰方法中的错误。这 些看起来似乎是不大可能的结果， 最近被Ohio大学的C.F. Destefani, 及S.E. Ulloa 所重复(cond-mat

12、/0412520)。 根据这些发现， 我们仔细计算了在各种条件下的自旋 寿命。同时我们也研究了在量子点中的轻重空穴的自旋在各种条件下的寿命，得 到了很多和电子型量子点定性上完全相反的结果。 我们是最早研究空穴型量子点 自旋性质的小组之一：在我们之前，只有一个工作，用微扰论方法研究了空穴型 量子点的自旋寿命，并且得到的结果在定量既定性上都是错误的。我们的工作在 05 年月发表后，即被 D. Loss 研究组引用(D.V. Bulaev 及 D. Loss, cond-mat/0503181)。 我们还研究了 THz 场对有 Rashba 自旋轨道耦合的二维电子气的作用，指出 非对角关联的重要性，

13、并最早给出了在 THz 场下有 Rashba 自旋轨道耦合的电子 的严格波函数。根据该波函数，我们指出了在垂直 THz 场方向，会诱导出一个 THz 磁矩。 介观的自旋电子学工作： 介观的自旋电子学工作： 我们从介观的层面，利用 Landauer-Buttiker 公式，并借助格林函数方法，研 究了自旋注入及自旋 Hall 效应。 我们提出了三种全新的自旋筛设计； 对于空穴型 半导体的自旋 Hall 效应， 我们从介观的角度进行了研究， 发现一些有意思的结果 （比如：空穴型半导体的自旋 Hall 效应并不依赖于 点的简并；即使自旋朝上 几朝下的重空穴之间没有任何关联，重空穴仍然有自旋 Hall

14、 效应等） 。 其他工作：其他工作： 在“百人”工作期间，作为对即将进入我们研究组攻读博士学位的本科生的 筛选和训练，除了上面提到的从介观角度提出的三种自旋筛，我们还同物理所的 韩秀峰研究员合作，提出了一个新的磁振子激发，成功地解释了他的 TMR 实验； 同东京大学五神真教授合作，给出了在 CuCl 及金刚石中的电子空穴液滴形成 的动力学，成功地解释了东大的实验。这些结果分别发表在三篇 APL 及在 CPL, PLA， 和 PRB 上各一篇。 总结： 总结： “百人” 工作期间， 共完成 SCI 论文篇， 其中 Appl. Phys. Lett.四篇； Phys. Rev. B 八篇； J.

15、Appl. Phys.； J. Phys.:Cond. Matt.； Phys. Stat. Sol. B （为封面文章） ； J. Phys. Soc. Jpn.; Phys. Lett. A 各一篇；Solid Stat. Commun.三篇，Chin. Phys. Lett. 两篇。此外，还有三篇论文正在送审。这两年自旋电子学论文被他人引用（包括 在 arxiv 上被引）次。所有论文被引余次。分别于年及 2005 年被邀请在美国 IEEE 及 ACS 会议上作邀请报告。 成功申请到国家自然科学基金 中“理论物理重大研究计划”一项；教育部博士点基金及安徽省自然科学基金各 一项；参加国家自然

16、科学基金主任基金一项（负责人：杨振宁） 。并受到结构开 放实验室创新基金资助。 我们搭建了两套 PC Cluster，每套个节点。实验室目前有固定人员两人 （本人及石勤伟讲师） ，流动人员七人（全为硕博连读研究生，其中程晋罗在 第二年已获得院长奖学金） ，建设了一支充满活力、结构合理的研究队伍。已培 养博士生一人，指导博士后一人（已出站） 。除此之外还积极参加和组织其它学 术活动， 作为学术组织者之一， 成功组织了2004年CCAST的自旋电子学workshop。 发表论文（篇） 、论著（部或章节） 、申请专利（项） 国内刊物 2 国际刊物 20 SCI 22 EI 国际会议 5 出版专著 受理的发明专利数 受资助期间发表的有代表性的论文、论著细目 作者排序 年份 题目 期刊或国际 会议名称 卷期 页