自旋-轨道分裂

2008年实验发现曲率能够在纳米碳管产生电子自旋轨道耦合后，曲率自旋轨道耦合及其效应成为凝聚态物理学一个重要的研究方向，我们拟从理论上研究弯曲纳米碳管曲率产生载流子自旋轨道耦合的规律及其物理效应。研究直线单壁纳米碳管载流子自旋轨道耦合与其手征角间的关系,确定纳米碳管环、纳米碳管螺旋、纳米碳卷的构型几何产生的载流子自旋轨道耦合能。分析这些弯曲纳米碳管载流子自旋状态特性及弯曲附加自旋轨道耦合引起的能谱变化。计算直线纳米碳管、纳米碳管螺线等系统的电导率与自旋极化率。研究分别由直线纳米碳管、纳米碳管螺线和磁体构成的结，计算隧穿过程电导率、自旋极化率，并分析隧穿共振条件，确定弯曲构型几何对载流子隧穿透射率的影响。研究纳米碳管环的AB、AA及AC效应，讨论持续电流中的自旋轨道耦合响应。分析可能的电子自旋几何极化方案和自旋过滤系统，这些研究对发展凝聚态理论及研发新型介观自旋电子学器件都具有重要学术意义。

碳纳米管载流子的自旋轨道耦合通常很弱，实验上发现其弯曲几何构型可使载流子产生附加的自旋轨道耦合。在众多的弯曲纳米碳管中，几何构型所产生自旋轨道耦合规律及其对载流子运动的影响，是需要解决的而且非常关键的科学问题，这也是碳纳米结构自旋电子学研究一个非常迫切的问题。 本项目研究了直线单壁纳米碳管载流子自旋轨道耦合与其手征角间的关系,确定了纳米碳管环、纳米碳管螺旋、纳米碳卷的构型几何产生的载流子自旋轨道耦合能，分析了这些弯曲纳米碳管载流子自旋状态特性及弯曲附加自旋轨道耦合引起的能谱变化。发现旋量曲率效应是影响电子特性的一个重要因素,得到碳纳米管一个新的导电判据。预言出与传统判据矛盾的现象，即传统“金属”单层纳米碳管具有比传统“半导体”单层纳米碳管更大的带隙，我们的理论结果与实验观测数据完全符合，并修正了前人对实验观测数据理论解释错误。研究了电场对石墨烯纳米带中电子的de Haas-van Alphen效应的影响，发现电场可以调制de Haas-van Alphen振荡,理论预言出振荡坍缩现象。计算了石墨烯纳米带的比热，确定了比热随纳米带宽度变化关系。同时研究了应变对石墨烯纳米带比热的调制作用，发现应变在低温情况对比热的响应与高温情况下相反，该响应行为的转变温度约为110K。讨论了直线纳米碳管、纳米碳管螺线等系统的输运性质。研究了纳米碳管、石墨烯环的几何相位效应，讨论持续电流中的自旋轨道耦合响应,除了发现石墨烯环具有非零的AA相位外，还发现了存在非平庸的AA流，其中AA持续电流呈现帕波现象。在一定条件下AA流可以为方波，该效应可以应用来设计介观电流方波信号源。此外，从理论上预言了石墨烯周期结构在红外波段及更宽波段呈现非共振电磁左手超材料性质，并且外电场能够调控其左手特性的波段范围。从理论上构造出了具有磁光效应的石墨烯周期结构,发现石墨烯周期结构具有很强的磁光性质，预言了石墨烯周期结构的Verdet常数比通常掺稀土元素磁光玻璃值大1至2个数量级。以纳米螺旋结构为例，研究了的电子自旋几何极化方案和自旋过滤，发现曲率和挠率具有自旋极化效应和自旋极化方向旋转效应。 这些研究对发展凝聚态理论具有重要学术意义，对研发新型自旋电子学器件具有指导意义。

跟互斥锁一样，一个执行单元要想访问被自旋锁保护的共享资源，必须先得到锁，在访问完共享资源后，必须释放锁。如果在获取自旋锁时，没有任何执行单元保持该锁，那么将立即得到锁；如果在获取自旋锁时锁已经有保持者，那么获取锁操作将自旋在那里，直到该自旋锁的保持者释放了锁。由此我们可以看出，自旋锁是一种比较低级的保护数据结构或代码片段的原始方式，这种锁可能存在两个问题：

死锁。试图递归地获得自旋锁必然会引起死锁：递归程序的持有实例在第二个实例循环，以试图获得相同自旋锁时，不会释放此自旋锁。在递归程序中使用自旋锁应遵守下列策略：递归程序决不能在持有自旋锁时调用它自己，也决不能在递归调用时试图获得相同的自旋锁。此外如果一个进程已经将资源锁定，那么，即使其它申请这个资源的进程不停地疯狂“自旋”,也无法获得资源，从而进入死循环。

过多占用cpu资源。如果不加限制，由于申请者一直在循环等待，因此自旋锁在锁定的时候,如果不成功,不会睡眠,会持续的尝试,单cpu的时候自旋锁会让其它process动不了. 因此，一般自旋锁实现会有一个参数限定最多持续尝试次数. 超出后, 自旋锁放弃当前time slice. 等下一次机会。

由此可见，自旋锁比较适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况。正是由于自旋锁使用者一般保持锁时间非常短，因此选择自旋而不是睡眠是非常必要的，自旋锁的效率远高于互斥锁。信号量和读写信号量适合于保持时间较长的情况，它们会导致调用者睡眠，因此只能在进程上下文使用，而自旋锁适合于保持时间非常短的情况，它可以在任何上下文使用。如果被保护的共享资源只在进程上下文访问，使用信号量保护该共享资源非常合适，如果对共享资源的访问时间非常短，自旋锁也可以。但是如果被保护的共享资源需要在中断上下文访问（包括底半部即中断处理句柄和顶半部即软中断），就必须使用自旋锁。自旋锁保持期间是抢占失效的，而信号量和读写信号量保持期间是可以被抢占的。自旋锁只有在内核可抢占或SMP（多处理器）的情况下才真正需要，在单CPU且不可抢占的内核下，自旋锁的所有操作都是空操作。

上面简要介绍了自旋锁的基本原理，以下将给出具体的例子，进一步阐释自旋锁在实际系统中的应用。上面我们已经讲过自旋锁只有在内核可抢占或SMP（多处理器）的情况下才真正需要，下面我们就以SMP为例，来说明为什么要使用自旋锁，以及自旋锁实现的基本算法。