耦合三量子点体系电荷及自旋输运性质

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量子点具有与原子类似的能级结构,且可以通过调整其尺寸等结构参数来改变量子点中电子能级的高低。量子点体系也向人们展示了独特的物理性质:量子隧穿效应、量子干涉效应、库仑阻塞效应、Fano效应和近藤效应等,这些效应及电荷与自旋输运特性可以做为新型纳米器件的物理基础,因而量子点体系具有广泛的应用前景。耦合量子点体系与单量子点相比,具有更多可调结构参数,通过调节这些参数可以更加容易地控制电荷及自旋输运,因此耦合量子点结构常常被考虑用于设计实用的量子器件。理论上研究耦合量子点体系电荷及自旋输运特性可为实际设计量子器件提供必要的理论支撑,对介观器件的设计和研制的发展起到重要的推动作用。因而理论研究耦合量子点体系电荷及自旋输运特性有重要的理论和实际价值。在本论文中,采用非平衡格林函数方法,研究耦合三量子点体系电荷及自旋输运性质,讨论了量子点能级、量子点内电子间库仑相互作用、Rashba自旋轨道相互作用和外磁通等多种因素的联合作用对耦合三量子点体系电荷及自旋输运性质的影响。首先,研究量子点—“量子点分子”Aharonov-Bohm干涉仪的电荷及自旋输运性质。使用非平衡格林函数运动方程和Dyson方程,同时采用Hartree-Fock近似,推导出了体系电导表达式。数值结果展示出不同自旋电子的电导能够在同一能级位置处分别出现共振或反共振,因此可以实现电子自旋过滤。通过控制“量子点分子”中两个量子点之间有或无耦合,能够实现100%极化与无极化状态之间的转变,这种结构能够被用来设计实现极化脉冲器件。此外,通过调节“量子点分子”中两个量子点之间的耦合强度,能够改变自旋极化的方向及极化率大小。其次,研究耦合三量子点Aharonov-Bohm干涉仪的电荷输运性质。当三个量子点具有不同的量子点能级,且点间耦合强度相同时,点内电子间库仑相互作用对体系电荷输运性质产生显著的影响。与不考虑点内电子间库仑相互作用的情况相比较,更多的电导峰出现在电导能谱中。随着点内电子间库仑相互作用的增强,电导能谱中六个电导峰由三组变成了两组,两组电导峰线型并不相同。通过控制点内电子间库仑相互作用,共振峰和Fano反共振峰两者之间可以相互转换。磁通和点内电子间库仑相互作用的联合效应可导致电导峰的简并。当三个量子点具有相同的量子点能级和点间耦合强度时,点内电子间库仑相互作用使得体系电导能谱中出现两组相似的电导峰。当点内电子间库仑相互作用强度取固定值时,磁通将成为显著影响体系电荷输运性质的主要因素。再次,研究三Rashba量子点体系电荷及自旋输运性质。分三种情况讨论了体系的电荷输运性质:(1)当一个量子点与电极无耦合且与另一个量子点间为弱耦合时(此时该量子点为一个侧向悬挂量子点),两个尖锐的共振峰分别出现在电导能谱中能级ε=ε0和ε=ε0+U(U是量子点内电子间库仑相互作用强度)的位置;随着悬挂量子点与相邻量子点间耦合强度的增强,两个尖锐的共振峰转变成两个Fano共振峰;当两者耦合强度足够大时,两个Fano共振峰又转变成两个共振峰;(2)当一个量子点仅与两个电极耦合时(设两者间耦合强度为Γ3),与平行耦合双Rashba量子点体系电导能谱比较发现两个新的Fano共振峰出现在电导能谱中。随着耦合强度3的增强,两个新的Fano共振峰转变成两个共振峰;(3)当三个量子点耦合为线型结构,且三个量子点都与电极耦合的情况下,两个新的Fano共振峰也被观察到。磁通和Rashba自旋轨道相互作用的联合作用,可实现自旋极化传输。最后,对于三个量子点形成环形结构且三个量子点同时与电极耦合的体系构型,研究了体系的量子点能级与点间耦合强度对Fano效应的影响。当三个量子点之间对称耦合(即:ti=t)且耦合强度较大时,三个量子点能级的不同取值(即: ε≠ε或ε≠ε≠ε)会导致在电导能谱中出现Fano效应。当体系中有一个量子点能级取值不同于另外两个相同的量子点能级时,一个Fano反共振峰出现在电导能谱中;当三个量子点能级取值互不相同时,两个Fano反共振峰出现在电导能谱中。若三个量子点能级完全相同(即: ε0),三个量子点之间耦合强度的不同取值(即:t1=t2≠t3或t1≠t2≠t3)也能够导致出现Fano效应。当在三个量子点间耦合强度中有一个取值发生变化时,一个Fano反共振峰出现在电导能谱中;当三个量子点间耦合强度取值互不相同时,两个Fano反共振峰出现在电导能谱中。总之,通过对耦合三量子点体系电荷及自旋输运性质的研究。明确了点内电子间库仑相互作用和Rashba自旋轨道相互作用等体系结构参数对电荷及自旋输运性质的影响。这样的模型结构简单,并可在实验上使用现有的技术手段来实现。这些结果对未来量子器件设计是有重要意义的。
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