在III-V族或者II-VI族半导体化合物中，自旋-轨道耦合是自旋弛豫的主要来源。在这两种半导体二维结构中，可以通过结构工程或者外电场调控这种结构中自旋-轨道耦合的大小，进而实现自旋弛豫和自旋输运的操控。外电场对自旋-轨道耦合的调控，是实现自旋量子器件（如Spin-FET）的重要条件，因此这方面的研究备受关注。
    超快磁光激光光谱技术是研究自旋动力学、自旋输运过程的重要实验手段：用时间分辨克尔旋转（Time-Resolved Kerr Rotation， TRKR)可以直接测量自旋弛豫信息，即自旋弛豫时间/自旋寿命等重要常数；用瞬态自旋光栅（Transient Spin Grating，TSG)可以精确测量自旋扩散常数。中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）固态量子信息与计算实验室Q01组刘宝利副研究员在自主建设TRKR的基础上，搭建了TSG测量系统，如图1所示，在国内率先开展自旋输运的实验研究。
    自旋扩散长度是描述固体中自旋输运特性的重要参数，对其进行有效的电场操控是实现基于自旋的量子器件操控的关键。最近，刘宝利副研究员带领博士生王刚、祝传瑞和法国INSA-Toulouse LPCNO实验室Xavier Marie教授合作，利用TSG测量系统，开展（111）晶向生长的、镶嵌在NIP【从样品表面到样品底部，分别为n型掺杂区域（N）-本征区域（I）-p型掺杂区域（P）】结构中的GaAs/AlGaAs量子阱中电场操控自旋输运的研究。在前期的工作中，他们实现了电场对自旋弛豫的操控【PRL 107, 136607(2011)】，并发现（111）A和（111）B面生长的样品对施加电场的方向有很大影响【APL 101, 032014(2012)】。进一步的实验表明，270K条件下，也可以实现自旋弛豫的电场操控【APL 102, 242408(2013)】（以上结果部分样品由物理所王文新研究员提供）。在这些工作的基础上，利用自主建设的瞬态自旋光栅测量系统，测量了量子阱中电场下的自旋扩散常数Ds，如图2所示；在5V的门电压下，自旋扩散长度有200%的增长，实验上证实了电场对自旋扩散长度的操控，如图3所示；另外，半导体中Dresselhaus和Rashba自旋-轨道耦合系数是实现自旋操控的重要参数，到目前为止，其它小组的实验只能测量两个系数的比值或者只能测量其中的一个参数，并且需要n型掺杂的样品，而利用他们的实验测量方法，可以同时测定量子阱中Dresselhaus和Rashba自旋-轨道耦合系数，如图4所示，截距和斜率分别给出Dresselhaus和Rashba自旋-轨道耦合系数，可为设计调控自旋的样品结构提供重要的参数。该项研究成果发表在近期的【Nature Communication 4:2372 DOI: 10.1038/ncomms3372 (2013)】。此项工作得到科技部973计划、国家自然科学基金和中科院等项目的支持。

图1：瞬态自旋光栅。（a）瞬态自旋光栅技术原理示意图。两束偏振方向正交的激发光在量子阱中产生周期为的空间调制的自旋密度分布；（b）利用高灵敏度、高信噪比的外差(heterodyne)技术探测自旋光栅信号。

图2：电子自旋扩散。（a）V=1Volts条件下不同自旋光栅周期的自旋光栅（SG）信号衰减曲线；（b）SG衰减速率和自旋光栅周期平方q2的关系，斜率给出V=1Volts下的自旋扩散常数Ds；（c）自旋扩散常数Ds与门电压V的关系。

图3：门电压操控自旋扩散长度。（a）自旋扩散长度的变化和施加在NIP样品上的反向偏压关系曲线。自旋扩散系数Ds和自旋寿命Ts分别通过瞬态自旋光栅和偏振分辨瞬态荧光技术测量。插图：在（111）GaAs/AlGaAs量子阱中，门电压操控自旋扩散长度Ls示意图：红色（V=5Volts）和蓝色（V=0）的曲面分别表示激光激发下，自旋密度波包的空间发布。（b）器件结构示意图，20周期本征GaAs/AlGaAs量子阱镶嵌在NIP异质结构中，样品生长方向z为<111>晶向。

图4：同时测量Dresselhaus和Rashba系数。图中所示为β+2r41E和外加电场E的关系图。红色三角形表示曲线的斜率，给出Rashba系数r41，曲线与坐标轴的截距给出β值（），γ是Dresselhaus系数。