嵌有量子點(diǎn)分子的AB干涉器中電子及自旋性質(zhì).pdf

1、半導(dǎo)體量子點(diǎn)是準(zhǔn)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(qiáng)的庫侖相互作用，這使得單個量子點(diǎn)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(dāng)多個量子點(diǎn)相互靠近而耦合在一起時形成的量子點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)性質(zhì)研究其電子結(jié)構(gòu)。與此同時，對于在電子輸運(yùn)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(yīng)用價值。與單個量子點(diǎn)相比，量子點(diǎn)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(yīng)可作為未來量子信息及量子計算等納米電子學(xué)功能器件的物理基礎(chǔ)，量子點(diǎn)分子結(jié)構(gòu)的電子輸運(yùn)特性是目前關(guān)于量子點(diǎn)研究的熱點(diǎn)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(diǎn)分子的AB干涉器中的電子以及自旋輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)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(dǎo)介觀

3、電子輸運(yùn)性質(zhì)的基本物理機(jī)制，而量子點(diǎn)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(dǎo)致電子在量子點(diǎn)分子體系中的豐富多樣的輸運(yùn)特性。因此，研究量子點(diǎn)分子體系的電子輸運(yùn)特性，必須揭示決定這些輸運(yùn)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(diǎn)耦合構(gòu)成的量子點(diǎn)鏈以任意兩個相鄰量子點(diǎn)分別嵌入AB干涉器的兩個臂中；N個量子點(diǎn)耦合構(gòu)成的量子點(diǎn)鏈兩端點(diǎn)的量子點(diǎn)分別嵌入AB干涉器的兩個臂中；N個量子點(diǎn)耦合構(gòu)成的量子點(diǎn)環(huán)以相鄰的兩個量子點(diǎn)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(yùn)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(dāng)由偶數(shù)個量子點(diǎn)構(gòu)成的量子點(diǎn)鏈對稱地嵌入AB干涉器時，即，當(dāng)器臂中的兩個量子點(diǎn)分別耦合有相同數(shù)目的量子點(diǎn)時，量子點(diǎn)分子的

5、一些分子態(tài)將與電極發(fā)生退耦合現(xiàn)象。當(dāng)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(dāng)退耦合現(xiàn)象出現(xiàn)時，電導(dǎo)譜中的反共振點(diǎn)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(dǎo)致了電導(dǎo)譜中新的反共振點(diǎn)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(yùn)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(dāng)量子點(diǎn)總數(shù)為奇數(shù)時，量子點(diǎn)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(dāng)量子點(diǎn)總數(shù)為偶數(shù)時，該量子點(diǎn)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(yùn)中也存在明顯的反共振現(xiàn)象。對于量子點(diǎn)數(shù)目是奇（偶）數(shù)的量子點(diǎn)鏈，線性電導(dǎo)譜中的反共振點(diǎn)

7、的位置與其亞分子（不包括兩端量子點(diǎn)的量子點(diǎn)鏈段）的奇（偶）分子態(tài)一致。當(dāng)引入適當(dāng)強(qiáng)度的磁場時，這種現(xiàn)象相應(yīng)發(fā)生改變，量子點(diǎn)數(shù)目是奇（偶）數(shù)的量子點(diǎn)鏈的線性電導(dǎo)譜中的反共振點(diǎn)的位置與其亞分子的偶（奇）分子態(tài)對應(yīng)能級一致。
　　 以上的研究結(jié)果表明，電子輸運(yùn)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(diǎn)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(diǎn)環(huán)和AB干涉器同時貢獻(xiàn)。通過計算發(fā)現(xiàn)，相較于相同數(shù)目的量子點(diǎn)鏈狀結(jié)構(gòu)，由量子點(diǎn)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(dǎo)致退耦合的機(jī)制：其一是通過調(diào)節(jié)磁通相因子，使耦合量子點(diǎn)的分子態(tài)與電極的耦合強(qiáng)度為零，從而產(chǎn)生退耦合現(xiàn)象；其二是來源于量子點(diǎn)環(huán)本身的對稱性，正是由于量子點(diǎn)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(dǎo)了退耦合現(xiàn)象的出現(xiàn)。而且，我們還能看到，在適當(dāng)?shù)拇磐ù┻^AB干涉器時，嵌

9、入2N+l個量子點(diǎn)的量子點(diǎn)環(huán)與量子點(diǎn)數(shù)目是2N的量子點(diǎn)鏈的線性電導(dǎo)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(yùn)的退耦合現(xiàn)象所蘊(yùn)含的物理機(jī)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(diǎn)鏈和量子點(diǎn)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(yùn)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(diǎn)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(diǎn)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(yīng)對線性電導(dǎo)譜的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在該近似下，多體效應(yīng)把電導(dǎo)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(dǎo)譜中我們可以清楚地看到，退耦合效應(yīng)的出現(xiàn)嚴(yán)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(jī)制引起的非平衡態(tài)系統(tǒng)中的負(fù)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(diǎn)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(yùn)，從而使體系表現(xiàn)出負(fù)微分電容現(xiàn)象。
　　 第二個方面，我們研究了復(fù)雜AB干涉器中存在Rashba相互作用時自旋極化的電子輸運(yùn)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(diǎn)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(diǎn)AB干涉器中引入兩個額外電極分別與量子點(diǎn)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(yùn)性質(zhì)。當(dāng)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(yùn)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(diǎn)離開該耦合量子點(diǎn)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(jī)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(diǎn)的散射有關(guān)。此外，還注意到，量子點(diǎn)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(xiàn)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(diǎn)的參數(shù)，如量子點(diǎn)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(yùn)性質(zhì)。在AB干涉器臂上的一個量子點(diǎn)中引入局域的Rashba自旋軌道相互作用，使電子的輸運(yùn)依賴于自旋。研究發(fā)現(xiàn)