对混合多端量子点系统中直流电子输运的研究

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随着纳米制造技术的飞速发展和新型材料的不断涌现,实验上已经能够制造出不同类型的量子点和电极以及由它们组成的介观系统,我们把这种系统称为混合多端量子点系统。由于电极属性的不同、量子点中的库仑相互作用以及电子的干涉效应,这种系统中存在多种基本的电子输运过程,它们之间既可能相互合作又可能相互竞争,导致会有大量新奇的输运现象出现。因此,研究混合多端量子点系统中的直流电子输运既有助于研发功能型纳米电子器件还能促进对基础凝聚态物理的理解。本论文主要运用非平衡格林函数理论研究了三个混合多端量子点系统中的直流电子输运,对前两个系统的研究能够促进一些纳米电子器件的实现或改进,对第三个系统的研究预言了一种新颖的强关联输运现象。第一个系统称为Cooper对劈裂器,由一根BCS超导电极通过两个无库仑相互作用的量子点分别与两根正常金属电极相连接组成,最近实验上已经基于碳纳米管制造出了这种装置。Cooper对劈裂器可以将BCS超导电极中组成Cooper对的两个电子拆开并分别注入到两根金属电极中,形成一个空间非局域的纠缠电子对,这种纠缠电子对在量子信息处理等领域具有重要的作用。我们发现如果利用热电效应取代前人通过调节电压控制电子输运的方法,通过调节两个量子点的能级可以很容易的获得100%的Cooper对劈裂效率,远高于目前实验上通过电学手段实现的劈裂效率。另外,我们还讨论了如何提高产生的非局域纠缠电子对的纠缠程度。第二个系统是我们提出的,它由一个悬挂的碳纳米管量子点与一根金属电极隧穿耦合组成。这个系统中有两个重要的物理元素,即碳纳米管量子点中的自旋-轨道耦合和振动模。我们考虑振动模与一个恒温热声子库耦合,那么热声子库和量子点之间可以有热流传输,因此量子点除了与费米型的金属电极耦合外还与一根玻色型的声子“电极”耦合。我们发现如果对碳纳米管量子点施加一个纵向外磁场这个装置就是一个天然的能产生纯自旋流的自旋流电池。简单的说,碳纳米管量子点中的自旋-轨道耦合和振动模的合作导致了一种自旋-声子相互作用,它可以使量子点中的电子发生自旋翻转,而玻色“电极”和费米电极之间的新颖热电效应可以为这个自旋流电池提供驱动力。我们的理论预言对自旋电子学中关于如何产生可控纯自旋流的问题提供了一个思路。第三个系统由一个振动量子点与一根正常电极和一根BCS超导电极隧穿耦合组成,实验上最近已经制造出了这个装置并报道了它里面由声子辅助的传统非弹性Andreev隧穿导致的输运特征。我们进一步从理论上研究了这个系统在Kondo区的输运特征,预言在Kondo区声子辅助的微分电导边带是间隔半个声子能量,这与实验中在非Kondo区观测到的间隔一个声子能量的微分电导边带特征明显不一样。我们分析这种新颖的微分电导边带来源于声子辅助的Kondo-Andreev共隧穿过程,是由Kondo关联、超导电性和量子点中的振动模之间的相互合作导致的一种层展多体现象。
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