学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

耦合量子点体系中的电子输运性质

作　者: 公卫江
导　师: 郑以松
学　校: 吉林大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 多量子点电导谱输运性质自旋极化库仑相互作用量子干涉多体效应自旋流藕合二次量子化
分类号: O471.1
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 367次
引　用: 4次
阅　读: 论文下载

内容摘要

本文采用非平衡态格林函数方法,对几种典型的耦合量子点结构的输运性质进行了较系统的理论研究,并得到了一些有意义的结果。本论文工作的基本物理思想如下:量子相干是主导介观电子输运性质的基本物理机制,而耦合量子点体系为电子隧穿提供了丰富的相干路径(即所谓的Feynman路径),研究耦合量子点体系的电子输运特性,必须揭示量子相干图像,这是贯穿于本论文工作始终的一条主线。本论文工作开展了如下理论研究。首先,我们系统地研究了平行耦合双量子点结构的线性电导谱中的Fano效应。通过建立起该体系线性电导表达式的一个标准的Fano形式,我们详细讨论了各种双量子点结构中Fano反共振出现的条件,以及外场对电导谱中Fano线型的调节。进而,我们利用Feynman路径的语言展示出参与Fano干涉的所有的电子隧穿路径,从中发现在一般情况下,Fano干涉来源于电子经过无限阶Feynman路径的贡献之和。通过调节磁场或者门压,可以实现仅有两个最低路径之间发生干涉的特殊情况,此时,我们才能认为:Fano共振来源于两个电子隧穿路径的量子干涉,其中一个是共振路径而另一个是非共振路径;反之,在无磁场情况下,高阶路径对电导谱中Fano线型的贡献仍很重要,不能轻易忽略掉。其次,在量子点结构的电子输运过程中,退相干机制也广泛存在并影响电子输运,因此这也是值得讨论的课题。我们以如上提到的平行双量子点结构为模型,考察电-声子相互作用这一典型退相干机制对线性电导谱中的Fano线型的影响。我们分别考虑局域和非局域两种声子和电子的相互作用,推导出电-声子相互作用下线性电导的解析表达式。结果发现,在零温零偏压的条件下非弹性电导为零。虽然这两种声子均存在于量子点结构中,但是它们对Fano干涉的影响却完全不同:对于非局域声子的情况,由于电-声子散射能够为电子的点间隧穿提供新的路径,有多个Fano峰出现在电导谱中;相反,局域声子和电子的散射基本上只能带来Fano线型的平移,不能破坏Fano线型。有限温度时,尽管存在复杂的非弹性散射,非局域声子的退相干效果也更强。再次,我们以T-型耦合双量子点结构为理论模型,着重研究Rashba自旋-轨道耦合对该结构电子输运过程中的Fano干涉的影响。通过将电子Hamiltonian二次量子化,可以发现Rashba相互作用引起两量子点间的自旋反转耦合,这使得量子点中不同自旋的电子态发生杂化。同时,量子点的本征能级以及这些能级和电极之间的耦合都受到Rashba自旋-轨道耦合的影响。这些结构参数的变化导致了线性电导谱中Fano线型的如下改变:反共振点移动,两Fano峰间距离增加,以及两Fano峰的形状趋于一致。通过分析其中的量子相干,我们解释了以上得到的数值结果,而且在考虑电子间相互作用的情况下,Rashba自旋-轨道耦合对Fano线型的影响仍然可以看到。然后,我们将多个T-型双量子点串联在一起形成侧向耦合双量子点链,详细考察该结构中的电子输运性质。结果发现,在计算的电导谱中展现出一个清晰的绝缘带。形成这样一个绝缘带不需要很长的量子点链,当N=4时绝缘带已经形成并且固定下来,并且它的带宽和无限长双量子点链的成键及反键带的带边一致。形成该绝缘带的物理原因是由于悬挂量子点的存在而出现的反共振效应。另外,我们讨论了多体效应对绝缘带形成的影响,并得到这样的结论,多体效应不能明显影响绝缘带的形状。基于这样一个性质,我们可以考虑该结构的器件应用价值,即它可以作为一个自旋过滤器模型。原因在于,陡峭带边的存在将导致当电子通过该结构时有自旋极化窗出现。此外,我们也发现强库仑相互作用能够使自旋极化窗变大,所以选择小量子点更有利于实现自旋极化。最后,我们考虑更复杂的耦合量子点结构,以三电极三量子点环为例,从理论上考察任一两电极间的电子输运性质。通过在任意一个量子点附近引入局域Rashba型自旋-轨道耦合,我们发现在该体系中从一端点入射的电子可以根据其自旋取向离开量子点环,并到达一特定的端点,相应地,利用该结构我们能够同时实现自旋极化和自旋分离这两种结果。另外,如果调节体系中的偏压分布,我们可以在本结构中得到可调节的电流和自旋流。更有意义的是,在特定条件下,在某一电极中会有纯自旋流出现,并且自旋极化方向可由偏压的调节改变。因此,它可以作为一个操控电子自旋的器件模型。借助Feynman路径语言,我们揭示了该机构中的量子干涉,从而解释了如上得到的数值结果。

全文目录

提要  5-11
第一章导言  11-37
  1.1 低维半导体材料概述  11-18
    1.1.1 准二维半导体结构(量子阱)  11-16
    1.1.2 准一维体系(量子线)  16-18
  1.2 准零维结构—量子点  18-32
    1.2.1 量子点的制备方式  18-21
    1.2.2 库仑阻塞及Kondo效应  21-27
    1.2.3 耦合量子点结构  27-30
    1.2.4 自旋量子比特  30-32
  1.3 本论文拟开展的研究工作  32-37
    1.3.1 研究对象  32-33
    1.3.2 研究内容  33-37
第二章量子输运理论  37-53
  2.1 平衡态格林函数微扰展开回顾  37-40
    2.1.1 表象变换理论  37-38
    2.1.2 S-矩阵  38-39
    2.1.3 平衡态格林函数的求解  39-40
  2.2 非平衡态格林函数方法  40-53
    2.2.1 非平衡态格林函数的定义  40-41
    2.2.2 Langreth定理  41-42
    2.2.3 Dyson方程  42-43
    2.2.4 运动方程  43-44
    2.2.5 广义Landauer-Büttiker公式  44-53
第三章典型耦合量子点体系中的电子输运性质  53-115
  3.1 平行双量子点结构中Fano效应的Feynman路径方法分析  53-67
    3.1.1 理论描述  54-58
    3.1.2 Feynman路径分析  58-61
    3.1.3 数值结果与讨论  61-66
    3.1.4 结论  66-67
  3.2 平行双量子点结构中电-声子相互作用对Fano效应的影响  67-76
    3.2.1 理论模型  68-72
    3.2.2 数值结果与讨论  72-76
    3.2.3 结论  76
  3.3 存在Rashba自旋-轨道耦合的T-型双量子点结构中的Fano效应  76-90
    3.3.1 理论模型  77-86
    3.3.2 数值结果与讨论  86-89
    3.3.3 结论  89-90
  3.4 侧向耦合双量子点结构线性电导谱中的绝缘带的产生  90-103
    3.4.1 理论描述  91-94
    3.4.2 数值结果及讨论  94-101
    3.4.3 结论  101-103
  3.5 三量子点环中中的自旋极化和自旋分离  103-115
    3.5.1 理论模型  103-106
    3.5.2 数值结果及讨论  106-112
    3.5.3 结论  112-115
第四章结论  115-119
参考文献  119-129
摘要  129-133
Abstract  133-137
博士期间发表论文  137-139
致谢  139

耦合量子点体系中的电子输运性质

内容摘要

全文目录

相似论文