半导体自旋电子学是国际发展的重要前沿课题，其研究内容涵盖自旋的产生、输运、操纵、探测等许多基本的物理过程，是一个涉及磁学、电子学、光学和微/纳加工技术的交叉学科.目前，这一学科的最新进展主要表现在两个方面：一个是以铁磁性半导体及稀磁半导体为代表的半导体新结构、新材料中的自旋特性研究，包括自旋注入、自旋滤波、寻找室温的磁性半导体等；二是非磁性半导体及其低维纳米结构中的自旋动力学特性的研究，得益于D.D.Awschalom等小组的推动，在最近的十多年里获得了极大的进展，实验测得的GaAs中电子的自旋寿命长达130ns，自旋输运的长度也达到了100μm.本论文主要围绕上述第二方面开展工作，详细研究了GaAs/AlAs量子结构中的自旋动力学特性.主要内容和成果有：　　 1、在法拉第效应及克尔效应微观表达式的基础上，采用准平衡近似，给出了时间分辨克尔旋转测量中克尔角的严格表达式，证明克尔角的大小和符号完全是由探测光所探测的两个自旋极化相反的子带上的载流子占居数差异决定.我们的工作不仅澄清了文献中对法拉第效应及克尔效应本质认识不清的一些误区;而且，也从理论上证明了只要载流子在自旋极化能带上的填充存在有足够大的差异，交换作用引入的自能修正项在两个自旋子带会很不一样，因此会产生由交换作用诱导的，沿生长方向的自旋分裂.这是完全与自旋轨道耦合不同的自旋分裂.　　 2、我们从实验上证明利用电场控制所积累的自旋极化电子气的浓度，可以控制这种由交换作用诱导的自旋劈裂的大小，提供了一种新的控制电子自旋的方案.通过外加电场将500nm本征吸收层内产生的极化电子(极化度为50％)积累在AlAs势垒附近，形成准二维电子气，在泵浦探测光的延迟时间固定在100ps时观察到了由于自旋交换相互作用引起的能级劈裂和由此而产生的克尔角变号的反常行为.积累的电子气的极化度为28％时，自旋劈裂能在偏置电压为-0.3V时为0.256meV，为-0.6V时为0.559meV.不同于自旋轨道耦合引起的导带的劈裂，这种由于自旋交换相互作用引起的劈裂能是在沿着样品生长方向的，有助于在自旋场效应晶体管等概念性器件中实现操纵自旋选择的输运；并且它对宽禁带和窄禁带半导体都适用，也更容易实现室温操作.　　 3、我们首先研究了调制掺杂量子阱中的自旋退相干过程.通过在量子阱外做掺杂，以可控的方式将掺杂区的电子转移到量子阱中，避开激子在低温区域对自旋退相干过程的影响，观察到整个温区范围(5K-250K)内电子的自旋退相干过程.当T＜80K时，1/T2几乎不随温度变化；当180K＜T＜250K时，1/T2正比于T2；当80K＜T＜180K时，1/T2近似随温度线性变化.上述结果均与DP自旋散射机制在不同温度笵围内的行为相符合.然后我们又研究了量子阱中两个子带上电子的自旋动力学行为，讨论了两个子带间的散射以及每个子带上DP散射机制的影响.我们设计的样品结构使得我们利用泵浦探测技术可以同时观测到两个子带上的电子自旋退相干信息.零磁场下T21*随着探测能量的增加而减小，可以用DP散射理论来解释；在803nm时T22*为T21*的10倍，说明E2子带由于波矢κ比较小，因而其DP散射机制的作用较之E1上要弱很多；然而T22*在803nm时的值同T12*在815nm时相当.在外加磁场为2T时，由于非均匀退相干机制的存在，使得T21*于T22*在短波方向趋于一致.当E1同E2共振时T21*，T22*及|g(E1)，|g*(E2)|都有突然的变化，这个是两个子带之间强烈的相互散射造成的.