量子隧穿中居留时间的讨论

人们对量子隧穿时间的定义存在着很大的分歧,在现有的各种方法中,居留时间理论发展的较为系统,其物理意义清晰,可以作为检验其他隧穿时间正确性的一个有用的工具。简要给出了居留时间定义的过程,并分析了该理论的优缺点。     

以铁磁绝缘体和铁磁半导体为势垒层的隧道结中的隧穿时间与自旋极化率

基于Winful的隧穿时间模型,对普通金属/铁磁绝缘体/普通金属(NM/FI/NM)、普通金属/铁磁半导体/普通金属(NM/FS/NM) 2种隧道结中的隧穿时间(居留时间和相位时间)和自旋极化率进行了研究.NM/FI/NM结中隧穿电子的自旋极化源于FI层的自旋过滤效应.而NM/FS/NM结中隧穿电子的自旋极化则源于FS层中磁性和Rashba自旋轨道耦合效应的共同作用.计算结果表明:在NM/FI/NM隧道结中,随着铁磁绝缘体层势垒厚度的增加,自旋极化率变化逐渐增加到趋于饱和并始终保持为正值.与之相应的自旋上下电子的居留时间和相位时间也随着增加,但自旋向下电子的隧穿时间总是大于自旋向上电子.铁磁绝缘体层中分子场的增加会导致自旋极化率逐渐增大并始终为正,相应的自旋向下电子的居留时间和相位时间总是大于自旋向上电子,但自旋向上电子的时间逐渐增加而自旋向下电子则相应减少.铁磁绝缘层势垒高度的变化会导致自旋极化率从负到正的转变.当自旋极化率为负时,相应的自旋向上电子的隧穿时间大于自旋向下电子的隧穿时间.在NM/FS/NM结中,由于Rashba自旋轨道耦合作用,自旋向上电子和自旋向下电子的隧穿时间随铁磁半导体层的厚度、分子场和Rashba耦合系数的变化呈现出周期性振荡变化的趋势.与之相应的自旋极化率从正到负,也呈周期性的振荡变化.但当自旋向下电子的隧穿时间大于自旋向上电子的时候,极化率为负,反之为正;这个结果和NM/FI/NM隧道结中的情况刚好相反.     

FM/I/FM隧道结中的隧穿时间

在相位时间定义的基础上,研究了铁磁金属-绝缘体-铁磁金属一维磁性隧道单结的隧穿时间随两铁磁层磁矩之间夹角,势垒宽度和电子入射能量的变化.研究结果表明隧穿时间随电子的入射能的增大而减小,在低能区隧穿时间随入射能的增加呈指数减小,而在高能区减小的趋势变缓和;两铁磁层磁化强度方向呈平行排列和反平行排列时的隧穿时间的差值在低能区随入射能的增加呈指数增加,但在高能区趋于零.另外隧穿时间随着势垒宽度的增加而呈线性增长.     

铁磁/绝缘体/铁磁异质结中自旋极化电子的隧穿概率和隧穿时间

在群速度概念的基础上,研究了自旋电子隧穿通过铁磁/绝缘体/铁磁异质结中的隧穿概率和隧穿时间.研究结果表明:不同自旋方向的电子其隧穿概率和隧穿时间不仅与绝缘体长度和入射电子能量有关,而且强烈地依赖于两端铁磁层夹角的变化.当两铁磁层中磁矩取向反平行时,不同自旋方向的电子隧穿概率相同;而在两磁矩取向垂直时,不同自旋方向的电子隧穿时间相等.除此之外,不同自旋方向的电子无论是隧穿概率还是隧穿时间都呈明显的分离现象.     

有关电子通过势垒的隧穿时间的研究

基于相位时间和隧穿时间的定义计算了电子穿过方形势垒的相互作用时间，在此基础上设计一个实验尝试研究电子隧穿方形势垒的相互作用时间。     

单自旋过滤隧道结中隧穿时间的研究

基于自由电子近似和Winful的隧穿时间模型,研究了铁磁金属/非磁绝缘体/自旋过滤层/普通金属(FM/I/SF/NM)单自旋过滤隧道结中自旋相关的居留时间(Dwell Time)和相位时间(Phase Time).计算结果表明,和传统的FM/I/FM结构不同,由于SF层的作用,在SF层和FM层中分子场处于反平行排列时上下自旋电子的透射率并不相等.在高能区(入射能量大于势垒高度),由于自干涉项影响大大减小,不同自旋方向电子的相位时间和居留时间趋于相同.在低能区(入射能量小于势垒高度),自干涉项影响增大,不同自旋方向电子的相位时间和居留时间会出现差别.其中非磁绝缘层和自旋过滤层的势垒高度,自旋过滤层的宽度以及自旋过滤层中分子场的变化,会导致上自旋电子的相位时间和居留时间出现明显差距.而对于下自旋电子,其相位时间和居留时间的不同,主要由自旋过滤层相应参数的变化决定,非磁绝缘层势垒高度变化的影响较小.     

耦合双量子阱间的隧穿时间

通过研究在外电场驱动下的双量子阱系统中电子的动力学行为，利用微扰理论得到了两个量子阱间的相干隧穿时间及电子局域化条件，并用数值演化方法验证了上述理论结果的正确性．这一方法可以推广到多模电场作用下的系统．     

双模电场作用下电子在双量子阱间的隧穿时间

研究了在双模电场驱动下的双量子阱系统中电子的动力学行为．利用微扰理论我们得到了耦合量子阱间的相干隧穿时间及电子局域化条件．并用数值演化方法验证了上述理论结果的正确性．这一方法可以推广到任意周期电场作用下的系统。     

粒子与对称双势垒相互作用的隧穿现象

在非相对论条件下,计算了粒子与对称双势垒相互作用的反射系数和透射系数,并与一维对称方势垒的相位和隧穿时间相比较,通过计算和比较,对隧穿现象有了更深地理解.     

自旋轨道耦合与磁场对电子透射率的影响

研究了铁磁体-半导体-铁磁体(F/S/F)准一维系统中电子的透射率.得到如下结论:1) 改变作用在2铁磁体上磁场方向角ρ和θ,电子透射率在满足ρ θ=(2n 1)π时最小,ρ θ=2nπ时最大(其中n=1,2,3,…).2) δ势垒起到了延迟电子共振隧穿峰到来的作用.3) 改变半导体中电子的Rashba自旋轨道耦合常数α会使电子透射产生非周期性共振隧穿现象,并且随着a值的增大相邻共振隧穿峰的间距有增大的趋势.4) 半导体长度的改变虽然不会使相邻共振隧穿峰的间距改变,但会使共振隧穿峰值发生变化.     

代数动力学方法研究倒立Caldirola-Kanai谐振子的时间演化

基于代数动力学的方法,研究了倒立Caldirola-Kanai谐振子的时间演化问题.计算得出了Caldirola-Kanai谐振子的一整套正交非绝热基矢.以高斯波包为初始态,利用这套正交非绝热基矢得到了任意时间的波函数.通过研究其居留时间并画出了居留时间和耗散参数的关系图形,可得出居留时间随耗散参数的增大而增大.     

负介电常数材料与负磁导率材料双层共轭结构的共振隧穿

利用转移矩阵方法,研究了负介电常数材料和负磁导率材料组成的双层共轭结构的共振隧穿问题.结果表明,当具有色散的负介电常数材料和负磁导率材料排列在一起组成共轭结构时,在频率满足某个特定条件下,电磁场能量局域在界面上的模式将会演变为共振隧穿模,导致共振透射的发生,这种现象不随入射角和入射波的偏振状态而变化.同时得到了共振隧穿模的品质因子随材料厚度的增加而增加,材料含弱吸收时的结果相同。     

双势垒中杂质原子对量子隧穿的影响

采用计算穿越任意势之透射系数的数值计算方法,得到了在双势垒阱区中有正电杂质时电子隧穿的共振能级、波函数、透射系数.通过与无杂质原子的双势垒量子隧穿情形对比,详细讨论了杂质原子对量子隧穿的影响.数值结果显示,体系的有效势是双势垒与杂质原子库仑势的叠加,当电子能量处于叠加势中的本征能级时,发生共振隧穿,对纯束缚态,不可能发生共振隧穿.此外,还给出势阱中有、无杂质两种情形的波形图,通过对比,可以进一步看出杂质原子对共振隧穿的影响.     

铁磁/半导体/铁磁异质结中的自旋输运

在群速率概念的基础上,讨论了自旋极化电子的隧穿系数和渡越时间与半导体层厚度、Rashba自旋轨道耦合强度以及两磁性铁磁体中磁矩夹角之间的关系。结果表明:不同自旋取向的电子在隧穿铁磁/半导体/铁磁三明治异质结过程中,隧穿系数表现出振荡特性,而渡越时间则表现出明显的分离特性。     

从对称到非对称双势阱中量子隧穿特性的研究

利用二能级近似通过对对称和非对称双势阱波函数的研究,揭示了基态和激发态量子隧穿随外场变化的规律。对称势阱内的量子隧穿是自发的、活跃的。非对称势阱内,即使附加静电场相当小时波函数就出现了定域,量子隧穿现象完全消失。根据波函数的动态定域特点得到了量子隧穿的动态消失过程。     

具有有限铁磁层厚度的磁性双隧道结中的隧穿电导和磁电阻

在FM／I／NM／I／FM磁性双隧道结研究的基础上，进一步考虑了外加有限厚的非磁金属(NM)覆盖层的情况，这时磁性双隧道结的结构变为NM／FM／I／NM/I／FM／NM。此处，FM、I和内NM都具有有限厚度。而在理论处理中，外NM被看做是无限厚的，对FM厚度于磁性双隧道结中自旋极化电子输运性质(特别是隧穿磁电阻)的影响做了研究。用Slonczewski近自由电子模型所得到的计算结果表明，附厚度的变化会引起隧穿电阻和隧穿磁电阻振荡；当FM厚度取适当值时，会得到比FM/I／NM／I／FM更大的隧穿磁电阻。     

硅烯上的克莱因隧穿

基于硅烯的四带低能有效哈密顿量,通过求解狄拉克方程研究了单层硅烯上的势垒隧穿,得出了硅烯中隧穿几率随入射角度的变化关系。当入射方向为正入射时,电子完全透射,隧穿几率不随隧穿势垒宽度和门电压改变而变化,表明在硅烯中可以观察到克莱因隧穿现象。进一步研究了硅烯在常规半导体相、拓扑绝缘体相以及半金属相等不同物相中的量子输运,发现不同的物相对于电子的隧穿影响不大。该研究有助于澄清硅烯上克莱因隧穿的特性,并为基于硅烯的强鲁棒性量子隧穿器件设计提供思路。     

GaAs／AlGaAs双势垒结构间接电子隧穿的研究

研究双势垒ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ结构在与时间有关的交变电场的作用下电子间接共振隧穿的几率和隧穿电流密度。采用转移矩阵方法给出电子在不同空间位置的波函数，用微扰的方法求出电子波函数的含时系数，最终给出电子隧穿几率和隧穿电流密度、计算结果表明电子隧穿几率曲线中出现附加的隧穿峰和隧穿峰变低，并且随穿电流密度曲线巾出现附加的隧穿台阶，隧穿峰变低和展宽，这主要是由于外加突变电场与Ｅ±ｎω的电子态耦合，为电子隧穿提供间接的通道和路径、这也是设计双势垒电子隧穿器件不可忽略的、上述方法也可以推广到多量子阶系统。     

量子纠缠对两个原子玻色-爱因斯坦凝聚隧穿动力学的影响

研究了两原子玻色-爱因斯坦凝聚系统初态处于纠缠相干态时的布居差和隧穿电流,详细讨论了量子纠缠对两个凝聚间的隧穿动力学的影响．     

铁磁/半导体/铁磁隧道结中的隧穿磁电阻

采用相干量子输运理论和传递矩阵方法研究了具有不同自旋指向的极化电子渡越铁磁/半导体/铁磁隧道结的隧穿几率和隧穿磁电阻。研究表明隧穿几率和隧穿磁电阻随半导体长度的改变发生周期性变化、随Rashba自旋轨道耦合强度的改变发生准周期变化,并且在两铁磁电极中磁矩取向平行时,选择适当的半导体的长度和Rashba自旋轨道耦合强度可以得到较大的隧穿磁电阻。