量子点体系中自旋过滤、自旋流产生和自旋注入

自旋电子学是一门新兴的交叉学科,其中心主题就是对固体电子系统中电子的自旋自由度进行有效地操作和控制.量子点体系中的自旋效应近期受到了理论和实验较多的关注.本文着重介绍了自旋轨道耦合效应对量子点体系输运性质的影响,探讨了怎样利用自旋轨道耦合效应来实现对自旋的有效过滤和纯自旋流产生.基于四铁磁端双量子点体系中电子的交换相互作用机制,指出了一种可以显著提高从铁磁金属到半导体量子点自旋注入效率的新方法.     

T型双量子点自旋二极管

用非平衡格林函数理论研究T型耦合的双量子点中自旋二极管效应。量子点与两个电子库或引线相耦合,其中的一个是正常金属,另一个为铁磁材料。由于两个引线铁磁性的不对称,流过系统的电荷流或者点中的电子占据数会在一定情况下出现二极管效应,即在正向电压时电流或占据数的自旋极化有极小值,当电压反向时,其自旋极化有极大值。这种自旋二极管效应与通常电子器件中的电荷二极管现象非常相似,在自旋电子学器件中有实际的应用价值。     

自旋池作用下量子点结构中的负微分热导效应

研究与双极自旋池连接的单能级量子点中自旋极化流的生热性质,发现通过适当调整自旋池中不同自旋方向电子的化学势,能够出现显著的负微分热导现象,即随着自旋压的增大,热流强度变小.还发现自旋极化流的生热性质对系统的温度不敏感,而自旋流与自旋压的曲线随温度的增加变得平滑,即声子辅助的电子隧穿过程被电子的热运动所破坏.     

受多体效应影响的平行双量子点结构中的自旋输运

采用非平衡态格林函数方法,研究了一个三电极的平行双量子点结构中由局域Rashba型自旋轨道耦合诱导的自旋极化的电子输运.结果发现,当电子从"源"电极经量子点区到两个"漏"电极时,它能根据自身的自旋态选择终端,即自旋极化和自旋分离可在这一结构同时实现.同时发现,量子点内的库仑相互作用对该体系的自旋输运性质有重要影响,其中有额外电极与之耦合的量子点中的库仑相互作用的强度对自旋输运起主要调节作用.     

双碳链体系中自旋过滤效应的第一性原理研究

采用第一性原理密度泛函理论方法研究了平行放置的双碳原子链体系中的自旋输运情况.将双碳原子链置于12个宽度锯齿型石墨烯纳米带组成的双电极中,研究发现:双碳原子链体系中的自旋过滤效果优于单条碳原子链体系中的自旋过滤效果; 更重要的是,在单条碳原子链体系中,当左右电极磁性反平行时,没有自旋过滤效果,双碳链结构彻底改变了单碳链体系中这种情况,即在双碳链体系中,不管2个电极的磁性是平行结构还是反平行结构,自旋过滤效果都近100%,是非常好的自旋过滤电子器件.     

自旋极化对量子点系统电导的影响

从自旋非简并 Anderson 模型出发, 研究局域电子自旋能级分裂对系统电导的影响。由于局域电子自旋极化会破坏近藤类型的电子强关联, 在非关联近似下, 通过求解量子点的 Green函数并以自旋能级劈裂为小参数将Green 函数展开, 利用Landauer公式推导出电导变化与局域自旋能级劈裂的关系。     

自旋极化对量子点系统电导的影响

从自旋非简并Anderson模型出发,研究局域电子自旋能级分裂对系统电导的影响。由于局域电子自旋极化会破坏近藤类型的电子强关联,在非关联近似下,通过求解量子点的Green函数并以自旋能级劈裂为小参数将Green函数展开,利用Landauer公式推导出电导变化与局域自旋能级劈裂的关系。     

矩形自旋偏压驱动下的量子点动力学

文章计算了矩形自旋偏压驱动下电流随时间演化的表达式,并由此研究了受磁场影响量子点系统的瞬时隧穿过程.数值结果表明:在矩形自旋偏压驱动下出现了进出电荷的现象;无磁场时会产生纯自旋流,而加磁场时会对电荷流和自旋流的值产生影响,电荷流和自旋流在量子点系统中同时存在.     

自旋轨道耦合串联双量子点系统的电流有限频率噪声谱

文章基于粒子数分辨的量子主方程,研究了串联耦合双量子点中,自旋轨道耦合依赖的电流有限频率噪声谱.研究发现,在电流有限频率噪声谱上,其峰、谷的存在起源于串联耦合双量子点的量子相干性,而峰、谷的位置取决于其约化密度矩阵非对角元相应的能量本征值之差.其中,谷对应于非对角元相应的能量本征值之差简并度为2的情形,而峰则对应于简并...     

自旋相关耦合双量子点的非平衡输运特性

采用K e ldysh非平衡格林函数方法,研究了电子通过耦合双量子点的自旋极化输运特性.我们考虑量子点中的电子电子相互作用,在H artree-Fock近似下给出自旋分离流的普遍表达式.数值结果显示:随着偏压的增加,不同自旋取向的电子所占居的等效能级相继进入偏压窗口,自旋极化流振荡,电荷流持续增加.这些变化特性可以很好的用自旋相关的共振隧穿理论给予解释.     

量子点隧道结中自旋相关的电流关联

以量子Master方程为理论框架,将产生—复合方法推广应用于自旋相关的输运中,推导出了自旋相关的有限频率电流shot噪声的计算表达式.以一个单能级量子点隧穿耦合到2个铁磁电极隧道结为研究对象,并讨论了2种电极磁化方向(平行和反平行)时,2种自旋渠道的电流及电流之间的涨落关联函数.     

与铁磁导体耦合的量子点中非线性热自旋效应

研究与两个铁磁导体耦合的单个量子点中热梯度产生的纯自旋流。发现热梯度和电子库的铁磁性会在量子点能级离开电子-空穴对称点时产生较强的自旋压。自旋压的大小和方向可以通过改变热梯度的方向来调整。当两个铁磁引线的磁化方向为相互平行时,自旋压的绝对值最小,而当两个引线中的磁矩为反平行时,自旋压的强度会显著增大。     

耦合于铁磁电极平行双量子点的自旋极化输运

利用双杂质的Anderson模型的哈密顿量,从理论上研究了耦合于铁磁电极的平行双量子点的自旋极化输运性质,并借助运动方程方法求解了哈密顿量.结果表明,该系统在费米能级处的Kondo共振峰与自旋极化强度和磁通量的取值有关.与此同时,在平行组态情况下,Kondo共振峰位置发生了偏移,而在反平行组态情况下,Kondo共振峰出现在相同位置处.这些现象使得这一双量子点系统的物理特性更加丰富,它们将有助于解释自旋电子学中的电子关联问题.     

冷原子中的光致量子自旋Hall效应

我们在冷原子体系中利用光致规范场模拟量子自旋霍尔效应。我们通过对 这样的多能级原子施加适当的激光脉冲,构造出具二重兼并的能量暗态(能量为零的本征态）,类似于自旋二分量体系,我们分别定义两个暗态为自旋向上及自旋向下态。当原子在空间分布的激光场中运动时,其所感受到的有效自旋相关规范场将导致可观测的自旋霍尔电流,从而实现对自旋霍尔效应的直接观测。     

CdSe量子点系统的库仑相互作用能的量子尺寸效应

用有效质量近似(EMA)模型模拟CdSe半导体微晶量子点系统,计算激子的基态能量以及系统的库仑相互作用能.在量子点的尺寸为0.25～2.5nm的区域内,将计算结果与实验结果进行比较显示:①激子的基态能量在整个区域与实验结果符合得很好;②系统的库仑相互作用能具有明显的量子尺寸效应;③包围量子点的外部介质的介电常数对库仑相互作用能的影响十分显著.计算结果表明:在CdSe量子点系统的研究中,考虑量子点内外介电常数的不同是必要的,系统的库仑相互作用能对激子的基态能量的贡献是十分重要的.     

自洽玻恩近似下串联双量子点的量子输运研究

结合自洽玻恩近似,用量子输运主方程理论研究了串联双量子点在任意电压下的输运问题.结果表明,对于无多体相互作用情况,用修正后的主方程理论计算得到的稳态电流-电压特性关系,与用波函数方法获得的结果符合得很好,但单粒子波函数方法不便描述有多体相互作用的量子输运问题,说明自洽玻恩近似下的主方程理论是一个有效的理论方法.给出有库仑阻塞情况下的电流电压关系,得到通常情况下量子主方程不能得到的库仑台阶的量子展宽效应.     

三终端量子点环中的自旋极化输运

利用非平衡态格林函数方法,研究了一个存在局域Rashba自旋轨道耦合作用的三电极量子点环结构中的电子输运性质.结果发现,Rashba自旋轨道耦合作用引起的自旋相关的量子干涉效应能够在电极中产生自旋流.这种自旋流的大小、方向以及自旋极化度等性质可以通过纯电学手段改变系统参数来加以调控.在适当选择这些参数时,电极中甚至可以产生完全自旋极化流或纯自旋流.这些效应说明我们所研究的系统可用来设计纯电学的自旋流产生装置.     

自旋轨道耦合对串联双量子点电子全计数统计特性的影响

基于粒子数分辨的量子主方程,研究了具有自旋轨道耦合效应的串联双量子点体系的电子计数统计特性。通过分析电极的自旋极化率、量子点的点间隧穿耦合强度以及其能级失谐对前三阶累积矩的影响,发现当量子点的点间隧穿耦合强度与量子点电极耦合强度处于同一量级,且两个量子点的能级失谐大于其自旋轨道耦合强度数倍(约5~10)时,对于电极自旋极化率较大的情形,在仅有单占据态到空占据态参与电子输运的偏压区域内,自旋轨道耦合效应对电流的前三阶累积矩,尤其是高阶累积矩,有一个明显的影响。特别是,通过调节两个量子点的能级失谐,可以找到一个高阶电流累积矩基本上与自旋轨道耦合强度成正比的区域。因此,可以基于电流高阶累积矩定性获取串联双量子点的自旋轨道耦合参数,为其在固态量子计算中的应用提供理论基础。     

T型双量子点系统中的Andreev反射

研究耦合在正常金属和超导体间的T型双量子点系统.从系统的哈密顿量出发,运用非平衡格林函数方法和运动方程,得到该系统在Andreev反射(AR)过程的电子输运特性.结合数值分析,讨论AR电流随偏压的变化特性,结果发现调节量子点能级和量子点间的耦合可以调制电流平台的大小和位置,Andreev共振反射则可以使电流有很大的提高.为实验上控制电流提供了一种有效的机制.