石墨烯量子反常霍尔效应体系中的量子干涉效应.pdf

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1、石墨烯量子反常霍尔效应体系中的量子干涉效应唐娟2016年1月中图分类号：O469UDC分类号：53石墨烯量子反常霍尔效应体系中的量子干涉效应作者姓名唐娟学院名称物理学院指导教师邢燕霞副教授刘铖铖讲师答辩委员会主席赵清教授申请学位理学硕士学科专业物理学学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月QuantuminterferenceingraphenewithquantumanomaloushalleffectsystemCandidateName：JuanTangSchoolorDepartment:SchoolofPhysicsFacultyMentor:Assoc.

2、Prof.YanxiaXingAssis.Prof.ChengchengLiuChair,ThesisCommittee：Prof.QingZhaoDegreeApplied:MasterofScienceMajor：PhysicsDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jannuary,2016研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或

3、其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要新兴材料石墨烯具有优良的热学、电学和光学性质，其能带结构在低能区呈线性色散关系。石墨烯中的电子表现为零质量的狄拉克费米子，速度是光速的三百分之一，这是低能凝聚态领域中满足高能相对论量子力学的特例。这些性质使得石墨烯拥有很多普通材料所不具备的量子效应，例如克莱因遂穿、半整数量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应等。在量子霍尔效应中，电子只能沿着边界输运，拥有特定的运动方向，且背散射被抑制，阻值为零，类似于超导

4、现象。但是目前实验上可以实现量子霍尔效应的材料都需要强磁场和极低温两个条件，因而无法将其投入实际应用中。研究者也因此致力于寻找不需要如此苛刻的条件便可实现量子霍尔效应的材料，其中一类因无需磁场而得名为量子反常霍尔效应材料，破坏时间反演并且存在强自旋轨道耦合的石墨烯便是其中的一种。在外在Rashba自旋轨道耦合和交换场的共同作用下，石墨烯发生拓扑转变，能隙被打开，体系进入量子反常霍尔效应区，并拥有稳定的量子反常霍尔效应边缘态。在此基础上，构造一种和外界弱耦合的量子散射腔，在弱磁场作用下，量子反常霍尔边缘态会在石墨烯散射腔两端的连接处发生反射，并在两个反射态间产生干涉效应，干涉具

5、有明显的周期性，周期和透过散射腔的磁通成反比，模拟计算的结果表明干涉现象由A-B效应引起。如果A、B格子具有不同的势能，空间反演对称性不再保持,体能隙将逐渐缩小直至最后关闭，此时将出现体态和边缘态共存的现象。考虑适当的杂质散射，体态将被局域，只剩下边缘态，我们称之为安德森拓扑绝缘体现象。在安德森拓扑绝缘区，尽管依旧会出现干涉现象，但是干涉效应不再具有明显的周期性。除此之外，实际材料中总是不可避免会混入杂质，计算结果表明干涉效应对杂质散射非常敏感，因此，通过观测量子干涉效应可以定性地判断体系是否存在真正的边缘态。本文将从背景知识，模型和公式以及模拟计算结果等方面对石墨烯量子反常

6、霍尔效应体系中的量子干涉效应进行阐述。关键词：石墨烯；量子反常霍尔效应；量子干涉；安德森绝缘体；拓扑边缘态；A-B效应；非平衡格林函数I北京理工大学硕士学位论文AbstractAsanewmaterial,Graphenepossessesexcellentthermoelectric,electricalandopticalproperties,anditsbandstructureatlowenergyislinear.AtlowenergyelectronsingrapheneperformasDiracFermions,andtheirspeedsisonethree

7、-hundredthoflight,whichisthespecialcaseinlow-energycondensedmatterthatmeethigh-energyrelativisticquantummechanics.Allthesepropertiesmakeaspecialmaterialfromordinaryones.Graphenehasmanyspecialquantumeffect,suchas,Kleintunneling,half-integerquantumHalleffe