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本文对自旋电子学的发展历史、现状、基本理论、应用前景等情况作了全面的综述。介绍了介观系统的定义、研究方法及输运现象,并推导出自旋轨道耦合哈密顿量。
我们研究的物理模型为AB(Aharonov-Bohm)环嵌入平行的双量子点结构,含时(time-dependent)外场只辐照到左右导线而不辐照到势垒及量子点,左右导线与量子点的耦合项与时间无关时,量子点能级为不含时单能级且不考虑能级简并,通过控制左右外场与量子点的栅极电压即可以控制左右及量子点内能级的移动。在绝热近似下,给出了考虑轨道耦合时的系统哈密顿,同时也给出了系统的各种格林函数和自能的矩阵形式。从系统的哈密顿量出发,利用非平衡格林函数方法,推导出系统瞬时电流、平均电流及平均占有数的公式。采用MATLAB语言编程及自洽等方法对电子的平均占有数、瞬时电流和平均电流等进行了数值计算。主要计算结果如下:
(1)在不同外场作用下,电流曲线呈现不同形态。对称含时外场作用时,电流曲线呈现旁带效应,并且外场振幅越大,曲线的主峰高越小,旁带峰值却越大;在非对称含时场作用下,外场强度越大,电流的峰值及负电流绝对值也越大,且负电流极大值附近也出现一个“凸起”。
(2)不考虑自旋轨道耦合时,对称含时外场频率ω的大小决定着旁带峰的位置,在量子点内能级为nhω(n=0,±1,±2…)处形成旁带共振峰,峰间距为hco;而非对称场作用时,ω较小时,曲线峰“窄而高”,ω较大时,曲线峰“宽而低”。
(3)考虑自旋轨道耦合时,对称交变外场作用下,电流曲线的每个主峰及旁带峰均被分裂为两个峰;量子点内的粒子占有数发生了变化,自旋向上与自旋向下的粒子占有数不再相等,因此量子点内产生了自旋极化。AB环中两量子点内的自旋积累是相反的,所以两点中的自旋极化也是相反的。
(4)对称含时场作用下,AB环中的磁通与自旋轨道耦合共同决定着自旋极化流。磁通和自旋轨道耦合都会引起环中两路波函数的位相差,两者对电子自旋向上和自旋向下波函数引起的位相差各不相同,一般情况下会引起自旋极化。可根据对自旋极化程度的需求调节磁通和自旋轨道耦合参数,使其达到预期目的。如,在我们所取的模型中,磁通和自旋轨道耦合引起的位相同时取π/4时,自旋向上与自旋向下的电流曲线分离,自旋向下的电流主峰及旁带峰分裂为两个峰,而自旋向上的电流曲线却没有此现象。量子点内自旋向上与自旋-向下的电子占有数呈“台阶”变化,“台阶”宽度为hω。
(5)非对称含时场作用时,我们通过计算发现,只要选取合适的外场频率、磁通与自旋轨道耦合,木仅可以使自旋向上与自旋向下的电流极化,还可能使自旋向上与向下的电流流向反向。
最后是我们对本文工作的总结,并对介观物理领域前景做简单的展望。