嵌有量子點分子的AB干涉器中電子及自旋性質(zhì).pdf

1、半導體量子點是準零維的介觀結(jié)構(gòu)，其中的載流子（如：電子）受到量子束縛而具有分立的能級和較強的庫侖相互作用，這使得單個量子點的電子特性類似于自然界的原子，而被稱為人造原子。因而可以推知，當多個量子點相互靠近而耦合在一起時形成的量子點分子結(jié)構(gòu)的電子行為與自然分子可比擬。而各種不同結(jié)構(gòu)的量子點分子皆可以與外電極以不同方式相連而形成介觀電路，這樣可通過觀察其電子輸運性質(zhì)研究其電子結(jié)構(gòu)。與此同時，對于在電子輸運過程中如何實現(xiàn)對電子或自旋的人為操控

2、的研究具有重要的器件應用價值。與單個量子點相比，量子點分子結(jié)構(gòu)具有更多的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以調(diào)控，其所實現(xiàn)的豐富的物理效應可作為未來量子信息及量子計算等納米電子學功能器件的物理基礎，量子點分子結(jié)構(gòu)的電子輸運特性是目前關(guān)于量子點研究的熱點方向。
　　 本文采用非平衡態(tài)格林函數(shù)方法，對幾種典型的嵌有量子點分子的AB干涉器中的電子以及自旋輸運性質(zhì)進行了較為系統(tǒng)的理論研究，得到了一些有意義的結(jié)果。本論文工作的基本物理思想如下：量子相干是主導介觀

3、電子輸運性質(zhì)的基本物理機制，而量子點分子體系以及AB干涉器的結(jié)構(gòu)為電子隧穿提供了豐富的相干路徑（即所謂的Feynman路徑）。電子在Feynman路徑中的隧穿過程中將發(fā)生量子干涉，從而導致電子在量子點分子體系中的豐富多樣的輸運特性。因此，研究量子點分子體系的電子輸運特性，必須揭示決定這些輸運特性的量子相干圖像，這是始終貫穿于本論文工作的一條主線。本論文工作開展了如下兩個方面的理論研究：
　　 第一個方面，建立了三種物理模型，即，

4、N個量子點耦合構(gòu)成的量子點鏈以任意兩個相鄰量子點分別嵌入AB干涉器的兩個臂中；N個量子點耦合構(gòu)成的量子點鏈兩端點的量子點分別嵌入AB干涉器的兩個臂中；N個量子點耦合構(gòu)成的量子點環(huán)以相鄰的兩個量子點分別嵌入AB干涉器的兩個臂中。我們系統(tǒng)地研究了這三個模型中電子輸運過程中的退耦合和反共振現(xiàn)象。對于第一個模型，研究發(fā)現(xiàn)，僅僅當由偶數(shù)個量子點構(gòu)成的量子點鏈對稱地嵌入AB干涉器時，即，當器臂中的兩個量子點分別耦合有相同數(shù)目的量子點時，量子點分子的

5、一些分子態(tài)將與電極發(fā)生退耦合現(xiàn)象。當無磁場通過干涉器時，所有第奇數(shù)個分子態(tài)從電極上退耦合掉；而引入合適的磁通穿過AB干涉器，可使所有第偶數(shù)個分子態(tài)從電極上退耦合。有趣的是，當退耦合現(xiàn)象出現(xiàn)時，電導譜中的反共振點的位置與磁場是否存在無關(guān)。通過調(diào)節(jié)穿過AB干涉器的磁通，使穿過兩個子環(huán)的磁通量不同時，可以實現(xiàn)一些分子態(tài)從一個電極上退耦合但仍與另一個電極耦合的現(xiàn)象。正是由于這一現(xiàn)象導致了電導譜中新的反共振點的出現(xiàn)，且其位置恰好與這種半退耦合態(tài)的

6、能級位置一致。
　　 對于第二個模型，研究發(fā)現(xiàn)，與前述結(jié)構(gòu)相比，電子輸運過程中的退耦合以及反共振現(xiàn)象所表現(xiàn)出來的特征更加豐富。在無磁場的條件下，當量子點總數(shù)為奇數(shù)時，量子點鏈中所有序數(shù)為偶數(shù)的分子態(tài)從電極上退耦合；與之相反，當量子點總數(shù)為偶數(shù)時，該量子點鏈的所有序數(shù)為奇數(shù)的分子態(tài)從電極上退耦合。伴隨著該結(jié)構(gòu)中所表現(xiàn)出的豐富的退耦合現(xiàn)象，電子輸運中也存在明顯的反共振現(xiàn)象。對于量子點數(shù)目是奇（偶）數(shù)的量子點鏈，線性電導譜中的反共振點

7、的位置與其亞分子（不包括兩端量子點的量子點鏈段）的奇（偶）分子態(tài)一致。當引入適當強度的磁場時，這種現(xiàn)象相應發(fā)生改變，量子點數(shù)目是奇（偶）數(shù)的量子點鏈的線性電導譜中的反共振點的位置與其亞分子的偶（奇）分子態(tài)對應能級一致。
　　 以上的研究結(jié)果表明，電子輸運過程中表現(xiàn)出來的退耦合以及反共振現(xiàn)象與體系的對稱性有關(guān)。通過對第三個模型的研究發(fā)現(xiàn)，由量子點環(huán)嵌入AB干涉器中構(gòu)成的介觀電路體系的退耦合以及反共振現(xiàn)象更加豐富，這是因為該體系的對

8、稱性由量子點環(huán)和AB干涉器同時貢獻。通過計算發(fā)現(xiàn)，相較于相同數(shù)目的量子點鏈狀結(jié)構(gòu)，由量子點環(huán)嵌入AB干涉器的結(jié)構(gòu)中的退耦合現(xiàn)象更為顯著，并且在該結(jié)構(gòu)中存在兩種導致退耦合的機制：其一是通過調(diào)節(jié)磁通相因子，使耦合量子點的分子態(tài)與電極的耦合強度為零，從而產(chǎn)生退耦合現(xiàn)象；其二是來源于量子點環(huán)本身的對稱性，正是由于量子點環(huán)的對稱性，使得其分子態(tài)存有簡并，這些簡并態(tài)的存在也誘導了退耦合現(xiàn)象的出現(xiàn)。而且，我們還能看到，在適當?shù)拇磐ù┻^AB干涉器時，嵌

9、入2N+l個量子點的量子點環(huán)與量子點數(shù)目是2N的量子點鏈的線性電導譜完全一致。
　　 為了闡明在上述各種典型AB干涉器中電子輸運的退耦合現(xiàn)象所蘊含的物理機制，我們利用表象變換的理論方法，在分子軌道表象下，探討各分子態(tài)與電極的耦合情況，分析了量子點鏈和量子點環(huán)兩種不同結(jié)構(gòu)中退耦合分子態(tài)的出現(xiàn)。另外，對于電子輸運中的反共振現(xiàn)象，我們通過表象變換將所研究的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成等價的T型量子點結(jié)構(gòu)，分析了由于各量子態(tài)之間的相消量子干涉而引起的反共

10、振點的出現(xiàn)位置。此外，我們還在二階截斷近似（即：Hubbard近似）條件下研究了多體效應對線性電導譜的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在該近似下，多體效應把電導譜線明顯分成兩組，但它不能夠破壞退耦合以及反共振現(xiàn)象的出現(xiàn)。然而，從得到的線性電導譜中我們可以清楚地看到，退耦合效應的出現(xiàn)嚴重破壞了體系的電子-空穴對稱性。最后我們研究了由退耦合機制引起的非平衡態(tài)系統(tǒng)中的負微分電容現(xiàn)象。由于施加于AB干涉器兩個電極之間偏壓的作用使量子點分子嵌入AB干涉器體系的結(jié)

11、構(gòu)參數(shù)發(fā)生了變化，從而破壞了退耦合態(tài)的出現(xiàn)，使原來的局域態(tài)電子參與電子輸運，從而使體系表現(xiàn)出負微分電容現(xiàn)象。
　　 第二個方面，我們研究了復雜AB干涉器中存在Rashba相互作用時自旋極化的電子輸運和純自旋流的出現(xiàn)問題。我們建立了兩個物理模型：其一為三個量子點通過三個電極相互耦合的三終端結(jié)構(gòu)；其二為平行耦合雙量子點AB干涉器中引入兩個額外電極分別與量子點側(cè)向耦合的四終端結(jié)構(gòu)。首先，研究了第一個模型中與自旋相關(guān)的電子輸運性質(zhì)。當在

12、體系中引入局域Rashba軌道自旋耦合后，由于Rashba相互作用為電子提供了一個與自旋相關(guān)的相位，從而使電子的輸運性質(zhì)與自旋相關(guān)。我們發(fā)現(xiàn)一個電子從該結(jié)構(gòu)的一端入射，它能夠根據(jù)其自旋態(tài)選擇某一特定端點離開該耦合量子點體系，結(jié)果，在此結(jié)構(gòu)中自旋極化和自旋分離可同時出現(xiàn)，且通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)可改變不同通道內(nèi)的自旋極化方向。我們用Feynman路徑語言分析和闡述了產(chǎn)生上述結(jié)果的量子干涉機制。在兩個低階Faynman路徑之間的總相位差與Rash

13、ba相互作用、外加磁場和量子點的散射有關(guān)。此外，還注意到，量子點耦合體系的結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠和外加磁場一樣為不同路徑的干涉貢獻相位差。在此結(jié)構(gòu)中，外加磁場不再是產(chǎn)生自旋極化的一個必要因素，通過調(diào)節(jié)量子點的參數(shù)，如量子點能級（實驗上可通過門電壓調(diào)節(jié)），同樣可以得到自旋極化。
　　 其次，我們又研究了第二個模型中與自旋相關(guān)的電子輸運性質(zhì)。在AB干涉器臂上的一個量子點中引入局域的Rashba自旋軌道相互作用，使電子的輸運依賴于自旋。研究發(fā)現(xiàn)