凝聚态物理 > 中尺度与纳米尺度物理
[提交于 2019年12月2日
]
标题: 各向异性与低维导体中的Zeeman、自旋-轨道和量子自旋霍尔相互作用
标题: The Zeeman, Spin-Orbit, and Quantum Spin-Hall Interactions in Anisotropic and Low-Dimensional Conductors
摘要: 当电子或空穴处于晶体的导带中时,它可能与2有很大不同,这取决于晶体的各向异性和施加的磁感应方向 ${\bf B}$。 事实上,它甚至可以是0! 为了定量地证明这一点,狄拉克方程被扩展用于正交各向异性导带中的相对论性电子或空穴,其有效质量为 $m_j$,对于 $j=1,2,3$,几何平均值为 $m_g=(m_1m_2m_3)^{1/3}$。 适当的Foldy-Wouthuysen变换被扩展以计算非相对论哈密顿量到 $O({\rm m}c^2)^{-4}$,其中 ${\rm m}c^2$是粒子的爱因斯坦静止能量。 对于${\bf B}||\hat{\bf e}_{\mu}$,Zeeman$g_{\mu}$因子是$2{\rm m}\sqrt{m_{\mu}}/m_g^{3/2} + O({\rm m}c^2)^{-2}$。 在二维(2D)导带中传播时,$m_3\gg m_1,m_2$,$g_{||}<<2$,与最近对超导单层NbSe$_2$以及扭曲双层石墨烯中平行上临界感应强度$B_{c2,||}(T)$的温度$T$依赖性的测量结果一致。 当粒子处于沿$\hat{\bf e}_{\mu}$的原子薄一维金属链的导带中时,$g<<2$对所有${\bf B}={\bf\nabla}\times{\bf A}$方向都存在,而对${\bf B}||\hat{\bf e}_{\mu}$则几乎为零。 二维金属具有$m_1=m_2=m_{||}$的量子自旋霍尔哈密顿量是$K[{\bf E}\times({\bf p}-q{\bf A})]_{\perp}\sigma_{\perp}+O({\rm m}c^2)^{-4}$,其中${\bf E}$和${\bf p}-q{\bf A}$是平面电场和规范不变动量,$q=\mp|e|$是粒子的电荷,$\sigma_{\perp}$是垂直于层的泡利矩阵,$K=\pm\mu_B/(2m_{||}c^2)$和$\mu_B$是玻尔磁子。
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