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旋流的正确定义
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旋流的正确定义 自旋电子学的目标在于用电子的自旋代替传统的电荷作为信息的载体。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。该工作发表在Phys. Rev. Lett.96,076604 (2006)上。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。 |
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