量子点结构中的可调控热自旋效应研究
我们研究了通过耦合到铁磁（FM）引线和普通金属引线的磁性量子点（MQD）进行热驱动电子传输。它表明，由于自旋转移力矩的影响，MQD的核心自旋的方向可以通过偏置电压来控制，以与FM引线的磁化平行或反平行。该器件方案可以用现有技术实现，并在分子自旋电子学和高密度纳米存储器设备中具备潜在的应用价值。
目录
前言 1
理论模型和数值方法 4
模拟结果和讨论 6
结论 10
致谢 11
期间科研成果 12
参考文献 13
前言
1959年著名的物理学家理查德费曼在美国的加州理工学院提出一个著名的论断：如果人类加工材料和制备装置的水准可以达到分子甚至原子级，那将会诞生许多新奇的科学发现[12]。他也讨论了非常小的量子器件的技术前景，这被认为纳米科技诞生的起点。纳米技术具体是指在1～100nm的纳米尺度对物质特征与相互作用的研究并且在这些特征基础之上建立的的多学科交叉性科学技术。当物质小到1～100nm时，因为其物质的局域性、巨大的表面及界面效应及量子效应，让物质的一些基本特性发生了变化，由此表现出了很多既不同于宏观物体，也不同于单个原子的有趣现象。上世纪80年代以来，人们发明了一些用于纳米科技研究的精密仪器，诸如，、扫描隧道显微镜(STM)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(TEM)和透射电子显微镜(AFM)，在此基础上产生的微观表征和操纵技术对纳米科技的发展起到了积极有效的促进作用[38]。纳米结构及其应用一个有重大影响力的成果是磁性的纳米尺度微结构材料中巨磁电阻效应的发现[9,10]。巨磁电阻效应不取决于电流对于磁化强度的方向，而是由邻近的铁磁层的磁化强度相对方向所决定的。一个重要的特征是：当中间隔离层的厚度大于电子约10nm的平均自由程后，巨磁电阻效应会消失。这说明其自旋散射机制是由相邻的铁磁层所决定的。因为在电子平均自由程之内有非磁性膜的厚度和磁性，所以当磁化强度相对平行时，电子的平均自由程会增加；而当磁化强度反平行时，电子的平均自由程会减弱，这形成了上述的巨磁阻效应。通过这种效应来制作的敏感磁探针的灵敏度远远高于一般的磁探针。自此人们开始意识电子的自旋及输运在各类电子仪器设计和应用中的重要性。巨磁电阻效应及其应用使得计算机硬盘的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
容量从几百兆、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G。计算机硬盘容量的飞跃对于计算机本身以及信息在网络上的传递至关重要，硬盘存储密度得以提升的同时，其体积也随之减小。由于巨磁电阻效应及其广泛应用，两位发现者获得了2007年的诺贝尔物理学奖。巨磁电阻效应也开辟了一个新的学科—自旋电子学，传统的电子学是以电子电荷移动为基础的，电子的自旋往往被忽略了。但是，巨磁电阻效应所表现的结果是，电子的自旋对电流的作用非常大。自旋角动量与电子电荷都可以运载信息，而这就是新的自旋电子学的主旨。与传统的电子器件比较起来，基于电子自旋的量子器件有着巨大的应用潜力，它有着快速存储速度、很小的功率损耗和集成度很高等特点，是未来信息技术发展的重要方向。自从巨磁电阻效应发现以来，国内外很多科学家积极投入这一领域研究，我国科学家也做出了很多出色的工作。其中南京大学邢定院士课题组的“巨磁电阻效应及其自旋输运”研究取得了具有国际影响的创新成果。南京大学都有为院士课题组在磁性材料设计和信息存储方面取得了重大进展。中国科学技术大学吴明卫教授在半导体自旋电子学方面做出了很多出色的工作。中国科学院半导体研究所和中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室在自旋电子学材料与期间、磁性氧化物/化合物量子调控、磁性纳米结构与磁性共振、新型磁性功能材料研究、多铁材料和多场耦合效应研究方面取得一系列具有国际学术影响的研究成果。纳米结构中的电子及其自旋输运特征研究会为新一代基于电子自旋的电子器件提供理论上的支撑，将为科学和技术带来更广阔的应用前景[1115]。
在各种纳米尺度的量子系统中，金属或者半导体量子点是非常典型的介观体系。所谓量子点（quantum dotor QD）是指三维空间受限的纳米结构。纳米尺度下的量子限制效应造成类似原子的分立能级，因此，量子点也被称为“人造原子”，多个量子点耦合形成所谓的“人造分子”。通过控制量子点形状和大小可以有效地调控其能级结构，从而极大地扩展了纳米器件的应用领域[1620]。作为一种可精确调控的人工低维量子体系，量子点具有较长的电子自旋退相位相干时间，能够利用含时外场等对其中的电子自旋进行调控。它的电子及其自旋输运展现了一系列非常复杂的量子相干现象和量子多体行为。通过测量电子的输运特性能够获得其中的电子自旋信息。因此，量子点成为最具希望的量子比特候选者和固态量子信息处理的平台[2128]。自从量子点诞生以来，基于单个量子点或耦合量子点体系的电子输运特征一直是国际上科学研究的活跃领域。现代纳米技术能够把不同性质的电极与量子点耦合起来。由量子点与正常金属电极连接，构成的正常金属—量子点—正常金属体系，我们称为正常量子点体系。对于这样的介观系统的电子输运行为研究，人们已经得到了许多新奇的有意义的结果。例如:量子点中的Coulomb阻塞和Kondo效应、含量子点的多通道系统输运中的Aharonov—Bohm振荡和Fano共振、以及电荷离散特征所导致的电流相对于其平均值的涨落—颗粒噪声等[2934]。波兰学者B.R.Bulka和P.Stefanski研究了强关联条件下量子点的电子输运，他们发现多重散射和电子波干涉会导致伴随Kondo共振的Fano共振现象[35]。日本的K.Hattori发现利用脉冲磁场可以在量子点里面产生自旋流[36]。美国的X.Wang和A.J.Millis发现二能级量子点的自旋电子输运存在量子相变和非费米液体行为[37]。清华大学朱邦芬院士领导的课题组在量子点电子输运方面做出了很多具有创新意义的工作。北京大学的马中水教授、北京师范大学的李新奇教授在量子噪声和全计数统计方面做了很多重要工作。上海交通大学董兵教授和雷啸霖院士发展了处理电子强关联有限U隶玻色子方法，使得研究强关联条件下的电子输运特征成为可能[38]。另一方面把超导体、正常金属或者铁磁金属（包括半金属）电极与量子点组装在一起构成混杂量子点系统。包括超导体—量子点—正常金属、超导体—量子点—超导体、超导体—量子点—铁磁金属、铁磁金属—量子点—正常金属等结构，以及由这些电极和量子点构成的多端子器件。与正常量子点系统比较起来，混杂量子点系统的电子输运特征更为丰富。其电子输运特征源于电极（包括超导体、正常金属或铁磁金属）提供的大量电子和中间量子点区域（门电压可控的）的少量电子共同作用的结果。通过控制电极之间的量子点的自由度，我们可以研究很多基本的物理问题，诸如：电子输运以及热电效应、量子纠缠、自旋流的产生与探测、自旋积聚、Andreev反射和Josephson效应等。J.C.Cuevas, A.L.Yeyati和A.M.Rodero研究Kondo量子点系统Andreev反射，他们给出了强关联效应对电导影响的参数范围[39]。 A.Zazunov等人研究了一个振动量子点分子的超导电流，他们发现在超导能隙内部存在多重Andreev反射过程[40]。Y.Dubi和M.D.Ventra研究了铁磁金属—正常量子点—铁磁金属系统电子的热电输运，给出自旋热功率的变化规律[41]。国内也有很多学者积极活跃于该领域的发展前沿，为领域的发展做出了很大贡献。中科院物理所孙庆丰研究员、香港大学物理系王健教授、北京大学林忠涵教授关于量子点系统Andreev反射做了一系列研究，建立直流Andreev反射的电导和电流公式，研究了考虑Kondo效应时的Andreev反射问题，他们也研究了多端子量子点系统的交叉Andreev反射[4245]。关于混杂量子点系统的超导电流研究，北京航空航天大学的潘晖副教授、北京大学的林宗涵教授、中科院物理所孙庆丰研究员建立了直流和交流超导电流公式，研究了超导电流物理特征，阐述了物理现象发生的机制[46,47]。山西大学梁九卿教授研究了含有自旋轨道耦合情况下的Andreev反射问题，得到了自旋极化的Andreev反射电流[48]。我们有理由相信对于混杂量子点系统自旋电子输运进一步研究将揭示更为丰富的物理内涵，其研究结果对于新世纪信息技术的革新提供了新的思路。对于正常量子点系统直流和含时交流电子输运问题，科学家门已经建立了较为成熟的输运理论。2007年德国Springer出版社出版的由著名学者H.Haug和A.P.Jauho写的《Quantum kineticsin Transportand Optics of Semiconductors》（第2版）是这一领域权威性著作。对于混杂量子点系统的电子输运行为，目前国内外关于混杂量子点系统的电子输运行为大多聚焦于直流情况，研究包括Andreev反射、Josephson效应、自旋流的产生和探测、有效的自旋注入等[4955]。但是，对于混杂量子点系统的自旋电子含时输运问题（即交流输运）研究较少并且处于刚刚起步阶段。例如：在中科院物理所孙庆丰研究员建立的多端混杂量子点系统交流Josephson流公式基础上，北京航空航天大学的潘晖副教授和北京大学的林宗涵教授研究超导电流的含时自旋泵问题，发现超导电流在外界旋转磁场作用下电流存在0—p转变机制[56]。但是在混杂量子点系统中磁性量子点自旋磁矩操纵下的交流Josephson效应、热耗散环境条件下交流超导电流、铁磁/量子点/超导结构中自旋极化交流Andreev反射等含时问题还有待于进一步研究，这些问题的深入研究有助于理解如何调控复杂条件下的自旋电子输运行为，使我们有机会更深入地了解量子力学的基本原理，并且为下一代新型固态电子器件的设计、开发其特殊功能、反常效应和优越物性提供有效的基础。
目录
前言 1
理论模型和数值方法 4
模拟结果和讨论 6
结论 10
致谢 11
期间科研成果 12
参考文献 13
前言
1959年著名的物理学家理查德费曼在美国的加州理工学院提出一个著名的论断：如果人类加工材料和制备装置的水准可以达到分子甚至原子级，那将会诞生许多新奇的科学发现[12]。他也讨论了非常小的量子器件的技术前景，这被认为纳米科技诞生的起点。纳米技术具体是指在1～100nm的纳米尺度对物质特征与相互作用的研究并且在这些特征基础之上建立的的多学科交叉性科学技术。当物质小到1～100nm时，因为其物质的局域性、巨大的表面及界面效应及量子效应，让物质的一些基本特性发生了变化，由此表现出了很多既不同于宏观物体，也不同于单个原子的有趣现象。上世纪80年代以来，人们发明了一些用于纳米科技研究的精密仪器，诸如，、扫描隧道显微镜(STM)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(TEM)和透射电子显微镜(AFM)，在此基础上产生的微观表征和操纵技术对纳米科技的发展起到了积极有效的促进作用[38]。纳米结构及其应用一个有重大影响力的成果是磁性的纳米尺度微结构材料中巨磁电阻效应的发现[9,10]。巨磁电阻效应不取决于电流对于磁化强度的方向，而是由邻近的铁磁层的磁化强度相对方向所决定的。一个重要的特征是：当中间隔离层的厚度大于电子约10nm的平均自由程后，巨磁电阻效应会消失。这说明其自旋散射机制是由相邻的铁磁层所决定的。因为在电子平均自由程之内有非磁性膜的厚度和磁性，所以当磁化强度相对平行时，电子的平均自由程会增加；而当磁化强度反平行时，电子的平均自由程会减弱，这形成了上述的巨磁阻效应。通过这种效应来制作的敏感磁探针的灵敏度远远高于一般的磁探针。自此人们开始意识电子的自旋及输运在各类电子仪器设计和应用中的重要性。巨磁电阻效应及其应用使得计算机硬盘的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
容量从几百兆、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G。计算机硬盘容量的飞跃对于计算机本身以及信息在网络上的传递至关重要，硬盘存储密度得以提升的同时，其体积也随之减小。由于巨磁电阻效应及其广泛应用，两位发现者获得了2007年的诺贝尔物理学奖。巨磁电阻效应也开辟了一个新的学科—自旋电子学，传统的电子学是以电子电荷移动为基础的，电子的自旋往往被忽略了。但是，巨磁电阻效应所表现的结果是，电子的自旋对电流的作用非常大。自旋角动量与电子电荷都可以运载信息，而这就是新的自旋电子学的主旨。与传统的电子器件比较起来，基于电子自旋的量子器件有着巨大的应用潜力，它有着快速存储速度、很小的功率损耗和集成度很高等特点，是未来信息技术发展的重要方向。自从巨磁电阻效应发现以来，国内外很多科学家积极投入这一领域研究，我国科学家也做出了很多出色的工作。其中南京大学邢定院士课题组的“巨磁电阻效应及其自旋输运”研究取得了具有国际影响的创新成果。南京大学都有为院士课题组在磁性材料设计和信息存储方面取得了重大进展。中国科学技术大学吴明卫教授在半导体自旋电子学方面做出了很多出色的工作。中国科学院半导体研究所和中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室在自旋电子学材料与期间、磁性氧化物/化合物量子调控、磁性纳米结构与磁性共振、新型磁性功能材料研究、多铁材料和多场耦合效应研究方面取得一系列具有国际学术影响的研究成果。纳米结构中的电子及其自旋输运特征研究会为新一代基于电子自旋的电子器件提供理论上的支撑，将为科学和技术带来更广阔的应用前景[1115]。
在各种纳米尺度的量子系统中，金属或者半导体量子点是非常典型的介观体系。所谓量子点（quantum dotor QD）是指三维空间受限的纳米结构。纳米尺度下的量子限制效应造成类似原子的分立能级，因此，量子点也被称为“人造原子”，多个量子点耦合形成所谓的“人造分子”。通过控制量子点形状和大小可以有效地调控其能级结构，从而极大地扩展了纳米器件的应用领域[1620]。作为一种可精确调控的人工低维量子体系，量子点具有较长的电子自旋退相位相干时间，能够利用含时外场等对其中的电子自旋进行调控。它的电子及其自旋输运展现了一系列非常复杂的量子相干现象和量子多体行为。通过测量电子的输运特性能够获得其中的电子自旋信息。因此，量子点成为最具希望的量子比特候选者和固态量子信息处理的平台[2128]。自从量子点诞生以来，基于单个量子点或耦合量子点体系的电子输运特征一直是国际上科学研究的活跃领域。现代纳米技术能够把不同性质的电极与量子点耦合起来。由量子点与正常金属电极连接，构成的正常金属—量子点—正常金属体系，我们称为正常量子点体系。对于这样的介观系统的电子输运行为研究，人们已经得到了许多新奇的有意义的结果。例如:量子点中的Coulomb阻塞和Kondo效应、含量子点的多通道系统输运中的Aharonov—Bohm振荡和Fano共振、以及电荷离散特征所导致的电流相对于其平均值的涨落—颗粒噪声等[2934]。波兰学者B.R.Bulka和P.Stefanski研究了强关联条件下量子点的电子输运，他们发现多重散射和电子波干涉会导致伴随Kondo共振的Fano共振现象[35]。日本的K.Hattori发现利用脉冲磁场可以在量子点里面产生自旋流[36]。美国的X.Wang和A.J.Millis发现二能级量子点的自旋电子输运存在量子相变和非费米液体行为[37]。清华大学朱邦芬院士领导的课题组在量子点电子输运方面做出了很多具有创新意义的工作。北京大学的马中水教授、北京师范大学的李新奇教授在量子噪声和全计数统计方面做了很多重要工作。上海交通大学董兵教授和雷啸霖院士发展了处理电子强关联有限U隶玻色子方法，使得研究强关联条件下的电子输运特征成为可能[38]。另一方面把超导体、正常金属或者铁磁金属（包括半金属）电极与量子点组装在一起构成混杂量子点系统。包括超导体—量子点—正常金属、超导体—量子点—超导体、超导体—量子点—铁磁金属、铁磁金属—量子点—正常金属等结构，以及由这些电极和量子点构成的多端子器件。与正常量子点系统比较起来，混杂量子点系统的电子输运特征更为丰富。其电子输运特征源于电极（包括超导体、正常金属或铁磁金属）提供的大量电子和中间量子点区域（门电压可控的）的少量电子共同作用的结果。通过控制电极之间的量子点的自由度，我们可以研究很多基本的物理问题，诸如：电子输运以及热电效应、量子纠缠、自旋流的产生与探测、自旋积聚、Andreev反射和Josephson效应等。J.C.Cuevas, A.L.Yeyati和A.M.Rodero研究Kondo量子点系统Andreev反射，他们给出了强关联效应对电导影响的参数范围[39]。 A.Zazunov等人研究了一个振动量子点分子的超导电流，他们发现在超导能隙内部存在多重Andreev反射过程[40]。Y.Dubi和M.D.Ventra研究了铁磁金属—正常量子点—铁磁金属系统电子的热电输运，给出自旋热功率的变化规律[41]。国内也有很多学者积极活跃于该领域的发展前沿，为领域的发展做出了很大贡献。中科院物理所孙庆丰研究员、香港大学物理系王健教授、北京大学林忠涵教授关于量子点系统Andreev反射做了一系列研究，建立直流Andreev反射的电导和电流公式，研究了考虑Kondo效应时的Andreev反射问题，他们也研究了多端子量子点系统的交叉Andreev反射[4245]。关于混杂量子点系统的超导电流研究，北京航空航天大学的潘晖副教授、北京大学的林宗涵教授、中科院物理所孙庆丰研究员建立了直流和交流超导电流公式，研究了超导电流物理特征，阐述了物理现象发生的机制[46,47]。山西大学梁九卿教授研究了含有自旋轨道耦合情况下的Andreev反射问题，得到了自旋极化的Andreev反射电流[48]。我们有理由相信对于混杂量子点系统自旋电子输运进一步研究将揭示更为丰富的物理内涵，其研究结果对于新世纪信息技术的革新提供了新的思路。对于正常量子点系统直流和含时交流电子输运问题，科学家门已经建立了较为成熟的输运理论。2007年德国Springer出版社出版的由著名学者H.Haug和A.P.Jauho写的《Quantum kineticsin Transportand Optics of Semiconductors》（第2版）是这一领域权威性著作。对于混杂量子点系统的电子输运行为，目前国内外关于混杂量子点系统的电子输运行为大多聚焦于直流情况，研究包括Andreev反射、Josephson效应、自旋流的产生和探测、有效的自旋注入等[4955]。但是，对于混杂量子点系统的自旋电子含时输运问题（即交流输运）研究较少并且处于刚刚起步阶段。例如：在中科院物理所孙庆丰研究员建立的多端混杂量子点系统交流Josephson流公式基础上，北京航空航天大学的潘晖副教授和北京大学的林宗涵教授研究超导电流的含时自旋泵问题，发现超导电流在外界旋转磁场作用下电流存在0—p转变机制[56]。但是在混杂量子点系统中磁性量子点自旋磁矩操纵下的交流Josephson效应、热耗散环境条件下交流超导电流、铁磁/量子点/超导结构中自旋极化交流Andreev反射等含时问题还有待于进一步研究，这些问题的深入研究有助于理解如何调控复杂条件下的自旋电子输运行为，使我们有机会更深入地了解量子力学的基本原理，并且为下一代新型固态电子器件的设计、开发其特殊功能、反常效应和优越物性提供有效的基础。
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