纳米结构中的自旋极化输运研究

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1、DissertationforDoctorofPhilosophyJI●‘。一一●SpIn-polarizedtransportInnanostructuresYiboYingSupervisedbyProfessorGuojunJinTheoreticalphysicsNationallaboratoryofSolidStateMicrostructureandDepartmentofPhysics，NanjingUniversityMay，2010毕业论文题目：纳米结构中的自旋极化输运研究理论物理专业

2、2007级博士生姓名：应益波指导教师(姓名、职称)：金国钧教授摘要随着自旋电子学的兴起，自旋相关的输运现象引起了人们广泛的兴趣．特别是介观系统中，量子限制效应同自旋的相互作用不仅丰富了纳米科学的研究内容，也极大地扩展了量子器件的应用领域．我们研究了量子点和量子环等纳米结构中的自旋极化、自旋流等物理效应，并重点考察了外场间的协作效应对自旋相关输运的影响．在第一章中，我们简要介绍了一些基本的概念和研究背景．我们首先介绍了量子点的基本性质和量子环中的Aharonov．Bohm效应．接着介绍了Rashba自旋轨道

3、耦合效应，它使得我们可以利用外加的电场来调控电子的白旋．本章的最后介绍了隧道磁电阻效应，我们将在正文中探索它在量子点系统中表现出来的新的特征．在第二章中，我们研究了四端开口的Aharonov．Bohm环中电子通过量子点的相位测量和Rashba自旋轨道耦合引起的自旋屏蔽效应．通过考虑量子环的有限宽度所导致的能级间的磁通相位的差别，我们解释了实验上观测到的相位反常现象．我们还考察TRashba自旋轨道耦合对系统输运性质的影响，我们发现在不需要加磁场的情况下系统也具有自旋屏蔽的作用，而且电子从不同端口出射，屏蔽

4、的自旋方向也不相同．在第三章中，我们研究了嵌双量子点分子的Aharonov—Bohm环中自旋轨道耦合效应导致的电子输运的自旋极化现象．我们发现两个分子态对应的Fano曲线的对称性正好相反，电子通过系统的透射曲线具有两个Fano峰的叠加或Fano谷叠加的特征．Rashba自旋轨道耦合效应引入了一个自旋相关的Rashba相位，这使得某一自旋的电子透射曲线具有两个Fano峰叠加的特征；而另一自旋的电子透射曲线对应两个Fano谷叠加．所以这种Fano效应和Rashba自旋轨道耦合的相互作用，使我们得到了很强的自旋

5、极化的电子．㈣够丝一在第四章中，我们利用非平衡格林函数研究了半导体量子点耦合铁磁电极组成的单电子晶体管系统中自旋相关的输运性质．我们发现通过光场同温度偏压的协作效应，可以在系统中获得纯的自旋电流而电荷电流为零．在此基础上，我们还研究了系统的隧穿磁电阻效应．我们发现通过调节温差和拉比频率的大小，隧道磁电阻的符号发生了翻转．在第五章中，我们研究了单电子晶体管系统中，光场和电压对系统中电流的白旋极化的影响．半导体量子点在偏振光的作用下，其中的能级发生了拉比劈裂，从而产生了自旋极化的电流和自旋积累效应．我们发现量

6、子点中的强库仑作用同自旋积累发生了相互作用，使得系统中的电流在一段电压区间内呈现出强的白旋极化，而在这一区间外，自旋极化快速衰减，所以系统具有很好的自旋整流的作用．并且当系统的电极是铁磁金属时，我们也得到了负的隧道磁电阻效应．在本论文的最后一章，我们作了一个简单的总结和展望。关键词：量子点、AB环、Rashbal刍旋轨道耦合、自旋极化、自旋流、隧道磁电阻THESIS：Spin—polarizedtransportinnanostructuresSPECIALIZATION：Theoreticalphysi

7、csPOSTGRADUATE：YiboYingMENTOR：ProfessorGuojunJinAbstractWiththedevelopmentofspintronics，thespin-dependenttransporthasattractedlotsofresearchers’attention．Especiallyinmesoscopicsystems，theinterplayofquantumconfinedeffectandspinnotonlyenrichestheresearchfie

8、ldofnanoscience，butalsoex·tendstheapplicationsofquantumdevices．Wemainlystudytheeffectsofspinpolariza-tionandspincurrentinnanostructureslikequantumdotandquantumring．Moreover,theassociatedeffectofexternalfieldsonspin—