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量子点环AB干涉器中电子的自旋极化输运

作　者: 吴丽君
导　师: 韩宇
学　校: 辽宁大学
专　业: 理论物理
关键词: 量子点 AB干涉器格林函数 Rashba自旋轨道耦合量子相干
分类号: O471.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

半导体量子点是准零维的介观结构,其中载流子(如:电子)的输运性质表现出显著的量子效应。量子相干是主导介观电子输运性质的基本物理机制,而耦合多量子点体系嵌入Aharonov-Bohm (AB)干涉器的结构,为电子隧穿提供了更多的相干路径,使其蕴含着丰富的物理现象和物理机制。量子点具有人工可调控性,利用其制造的量子点器件已得到了令人瞩目的发展,是当今纳米电子器件研制的热点方向。量子点中电子的自旋属性扮演着重要的角色,研究表明可将电子两个不同的自旋态作为量子信息单元的1和0。利用量子点器件中的电子自旋进行量子信息处理,被认为是最有希望实现未来量子计算机的方向之一。与单量子点相比,耦合多量子点体系具有更多的结构参数可以人为调控,表现出更为丰富的物理效应,揭示这些新效应的物理机制和规律,可为设计和实现具有优良性能的量子器件提供物理模型和理论依据。本文采用非平衡态格林函数方法,对嵌有量子点环的AB干涉器中的电子及自旋输运性质进行了理论研究,并得到了一些很有意义的结果。本论文工作开展了如下两个方面的理论研究:第一方面,我们建立了环状多量子点耦合结构以不同方式与两电极耦合的几何构型,通过非平衡态格林函数方法数值模拟体系中电子的输运电导谱,研究了电子输运中出现的退耦合及反共振现象,并利用分子轨道表象理论对体系的量子相干图像进行了分析。研究发现,体系结构的对称性以及穿过AB干涉器的磁通量是诱发退耦合现象的两种物理机制。耦合量子点体系构型的对称性越高,体系在相干电子输运过程中表现出来的退耦合现象越明显。而且在具有高度对称性的耦合量子点结构中,通过磁场调节体系的结构参数可以分别使第奇数或第偶数分子本征态从电极上退耦合,从而使电子输运电导表现出奇偶对等振荡现象。此外,通过门电压对点间耦合和点与电极间的耦合强度进行调节时,奇偶对等振荡现象并没有受到影响。当考虑处于量子点中的电子存在相互作用时,我们发现退耦合及反共振现象依然存在。因体系中电子输运的量子相干机制而产生的共振和反共振所表现出的奇偶对等振荡行为,为设计纳米电子开关器件提供了一个新的物理模型。第二方面,我们研究了在耦合量子点体系中引入局域Rashba自旋轨道相互作用时电子的自旋极化输运电导和电流。我们选取了四量子点环以对称方式嵌入AB干涉器的构型,引入一个局域梯度电场作用于AB干涉器一支臂上的量子点上,使电子经过该量子点时,能够诱导Rashba自旋轨道相互作用,从而使该构型中电子的输运性质依赖于自旋。我们同样利用分子轨道表象理论对体系自旋相关的量子相干图像进行了分析。研究发现,当体系处于平衡态时,在局域Rashba相互作用的诱导下,输运电子的自旋态发生了极化现象。通过调节磁通和Rashba相互作用的相位因子,来调节体系的耦合强度,能够使该体系中的自旋极化出现周期性振荡,一种自旋的共振峰与另一种自旋的反共振点相遇。当体系处于线性区时,由于Rashba相互作用改变了量子干涉相位,从而引起了该体系的不同自旋分子本征态从电极上退耦合,出现了自旋极化现象。同时适当的调节量子点与电极间和量子点间的耦合强度,能够有效的控制自旋极化的强度。利用这些性质可以实现对电子自旋态的人为操控,为设计量子比特器件提供新的物理模型。当在两电极间施加有限偏压时,体系中出现了自旋极化电流。通过对偏压的调节,并选取适当的结构参数,可以使不同自旋的电流交替占主导地位,且在一定偏压下出现反向的电荷流和自旋流,因此可以实现对自旋电流的人为控制,利用这一特性可以设计自旋电流过滤器。此外,体系的I-V谱线中还出现了负微分电导区域,可以利用这一特性来设计高频电流振荡器。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第1章引言  11-14
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 研究现状  12-13
  1.3 本文研究目的和内容  13-14
第2章非平衡态格林函数简介  14-27
  2.1 非平衡态格林函数  15-19
    2.1.1 非平衡态格林函数的定义  15-17
    2.1.2 Langreth 定理  17
    2.1.3 Dyson 方程  17-18
    2.1.4 格林函数的运动方程  18-19
  2.2 非平衡态格林函数在介观体系电子输运中的应用  19-27
    2.2.1 介观体系Hamiltonian 的Anderson 模型描述  19-21
    2.2.2 电子输运电流公式  21-24
    2.2.3 电子输运电导公式  24-27
第3章嵌有量子点环的 AB 干涉器中电子的退耦合态及反共振现象  27-51
  3.1 研究背景  27-28
  3.2 理论模型和计算方法  28-37
    3.2.1 Hamiltonian  28-30
    3.2.2 线性电导  30-34
    3.2.3 N 量子点环的分子轨道表象  34-37
  3.3 数值结果与分析  37-50
  3.4 本章小结  50-51
第4章嵌有量子点环的 AB 干涉器中的电子自旋极化输运  51-71
  4.1 研究背景  51-52
  4.2 理论模型和计算方法  52-57
    4.2.1 Hamiltonian  52-53
    4.2.2 电流和线性电导  53-55
    4.2.3 量子点环的分子轨道表象  55-57
  4.3 数值结果与分析  57-70
    4.3.1 自旋极化线性电导  57-65
    4.3.2 自旋极化电流  65-70
  4.4 本章小结  70-71
第5章结论与展望  71-74
致谢  74-75
参考文献  75-81
攻读学位期间发表的学术论文及参加科研情况  81-82

量子点环AB干涉器中电子的自旋极化输运

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