一个四终端双量子点量子干涉仪中自旋能斯特效应的研究
本文以非平衡态格林函数为基础，研究在四端量子点环装置上，由于Rashba自旋轨道相互作用的影响，在有磁场穿过的情况下，四端量子点环装置上出现的自旋和电荷的能斯特效应。讨论不同因素对系统中电荷和自旋能斯特系数的影响，并分析如何通过改变这些因素使温度差转化为电荷流和自旋流的效率更高。研究发现在铁磁或非铁磁构型中，通过改变系统中磁通引起的相位和自旋引起的进动相位，可以使系统中的能斯特系数在量子点能级的某个区间内呈线性变化，这种发现对于将来有效地利用能斯特效应有着很好的理论价值。关键词 自旋电子学，Rashba自旋轨道相互作用，Nernst效应
目 录
1 绪论 2
1.1 研究背景 2
1.2 自旋电子学的起源 2
1.3 基本概念 3
1.3.1 电子的自旋 3
1.3.2 自旋电子学 3
1.3.3 Rashba自旋轨道耦合效应 4
1.3.4 能斯特效应 4
1.4 国内外的研究方向 4
1.4.1 GMR自旋阀 4
1.4.2 半导体自旋电子学 5
1.5 研究热点 5
1.5.1 自旋电子的注入 5
1.5.2 自旋流检测 6
1.5.3 自旋霍尔效应 6
1.6 本论文研究内容、意义 6
1.6.1 研究内容 6
1.6.2 论文研究的意义 6
2 模型创建和计算方法 6
2.1 模型创建 6
2.2 计算方法 7
2.3 计算结果分析 9
结 论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
绪论
本文基于非平衡态格林函数方法, 从理论上研究了四终端双量子点系统中的自旋和电荷能斯特效应,考虑不同的系统的磁化构型和磁通以及Rashba自旋轨道耦合对系统自旋热电效应的影响。
1.1 研究背景
随着当代电子器件应用的兴起，电子器件在工作中产生热量的问题越来越受人们的关注。这些电子器件在工作中产生的废热的合理的利用成为解决不必要的能量流失的关键。自旋电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
子学是物理学中的一个新的学科分支[1]，兴起于凝聚态物理学，自旋电子学的主要研究是如何在固体中对于自旋自由度进行有效的控制和掌握[2]，研究自旋极化在金属和半导体中的实现，研究关于自旋动力学、如何实现自旋极化的输运和对电子自旋的检测等问题。
1.2 自旋电子学的起源
80年前, 狄拉克提出了相对论量子力学,相对论量子力学由两部分结合而成，一部分是量子力学，另一部分是爱因斯坦的相对论。这个英国著名的理论物理学家有力地使用他创建的理论阐述了那种磁矩或着说角动量存在于电子上的原因[3], 这种特别的磁矩或者角动量被称为电子的自旋。很明显，通过狄拉克的相对论量子力学，电子不仅具有质量和基本电荷这些基本属性，而且拥有自旋属性。
1857年，科学家Thomson在多晶结构的Fe中探寻出了磁电阻效应 (Anisotropy Magnetore．Sistance，AMR)，这种磁电阻效应具有各向异性，而传统的微电子学讨论的只是普通的金属和半导体，所以电子的自旋特性在研究电子输运的过程中常常被人们忽略。在20世纪50年代，超导体在被人们研究的时候，电子的自旋特性被考虑进入其中，加入超导输运的准粒子是一种由电子所组成的库柏对[4]，这种库柏对来自于费米面附近，两个自旋方向相反、动量矢量的方向也相反的电子，闻名的BCS理论则在此基础上建立起来。虽然BCS理论在研究电子的输运过程中将电子的自旋自由度考虑到其中，但是在由两个电子组成的库柏对中，电子的自旋总是以相反的形式出现的，所以在电子输运过程中两种不同自旋的电子之间的不同之处没有能够体现出来。
1986年，在Fe/Cr/Fe薄膜的试验中，德国的物理学家Grtinberg等人发现在Fe/Cr/Fe薄膜中拥自旋相关的散射性质，并且在研究这种散射时得到了这样一种结论：随着Fe/Cr/Fe薄膜中Cr厚度的变动，反铁磁耦合效应会存在于Fe/Cr/Fe薄膜中的两个Fe层中。接着，使用分子束外延的方法[5]，法国的Baibich等人制备了Fe/Cr多层膜，并探讨Fe/Cr多层膜的电阻特性。
在界面处，拥有不同的自旋取向的两个电子，它们所受到的散射也是不相同的。假设电子自旋的方向和铁磁层的磁化方向一致，在这种情况下，电子所受到的散射比较小，而当电子自旋的方向和铁磁层的磁化方向不一致时，电子所受到的散射比较大。那么在Fe/Cr多层膜结构中，当存在着反铁磁耦合效应的时候，相邻Fe层的磁化方向呈现反平行状态[6]，此时不论哪种自旋取向的电子所受到的散射都较大。所以当外界磁场较大，且系统处于一种高电阻状态的时候，所有铁层的磁化方向将由外部磁场的磁化方向决定，表现为同向，这种情况下的系统将处于一种低电阻的状态。巨磁电阻效应由此被发现。
1.3 基本概念
1.3.1 电子的自旋
电子的自旋是电子的基本性质之一。众所周知，电子具有两个重要的属性，一种属性表现为带有电荷，另一种属性表现为自旋。在电场中运动中的电子，由于带有电荷从而在运动中产生电流。现代的微电子技术只是将电子的电荷属性考虑进其中，忽略了电子的另一个重要属性，就是电子的自旋属性。电子的自旋属性首先是通过实验被人们发现的，然后从理论上人们通过狄拉克（Dirac）方程将其推导出来。1928年，关于电子相对论的波动方程由狄拉克给出，电子的相对论波动方程中包括了电子的自旋和自旋磁矩。由于电子自旋属于量子效应，所以电子自旋没有办法用经典理论来解释。
1.3.2 自旋电子学
事实上，早在20世纪20年代，电子拥有自旋特性的性质就被人们发现了，后来人们发现随着材料磁化状态的变化，其磁化状态的改变会使这种材料的电阻率也随着改变。这种现象被称为巨磁电阻效应[7]，这种巨磁电阻效应可以使用相关的自旋散射来解释，并且这种巨磁电阻效应还可以使用双电流模型来解释，电子自旋的应用价值才开始被人们了解到。对于电子自旋的研究已经成为当今研究热点课题，并且自旋电子学这个新的研究领域正在逐渐形成。
自旋电子学是利用电子自旋属性进行工作的电子学。每一个电子都携带一定的电量，电子除了电荷的属性外还具有另一个重要的属性，就是电子具有电子自旋。自旋电子学中，电子自旋存在两个自旋角动量数值，它们是。其中的正号表示电子自旋的方向为“自旋朝上”，负号表示电子自旋的方向为 “自旋朝下”，量子物理学中的基本物理常数，称为普朗克常数。一般来说，两个自旋极化方向相反，大小相等的电子形成电流时会表现为无自旋极化电流。当自旋极化“朝上”与“朝下”的电流大小不相等的时候，就会有自旋极化电流的产生。当只存在自旋极化“朝上”或“朝下”的电流时，则此自旋极化电流被称为纯自旋极化流。
目 录
1 绪论 2
1.1 研究背景 2
1.2 自旋电子学的起源 2
1.3 基本概念 3
1.3.1 电子的自旋 3
1.3.2 自旋电子学 3
1.3.3 Rashba自旋轨道耦合效应 4
1.3.4 能斯特效应 4
1.4 国内外的研究方向 4
1.4.1 GMR自旋阀 4
1.4.2 半导体自旋电子学 5
1.5 研究热点 5
1.5.1 自旋电子的注入 5
1.5.2 自旋流检测 6
1.5.3 自旋霍尔效应 6
1.6 本论文研究内容、意义 6
1.6.1 研究内容 6
1.6.2 论文研究的意义 6
2 模型创建和计算方法 6
2.1 模型创建 6
2.2 计算方法 7
2.3 计算结果分析 9
结 论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
绪论
本文基于非平衡态格林函数方法, 从理论上研究了四终端双量子点系统中的自旋和电荷能斯特效应,考虑不同的系统的磁化构型和磁通以及Rashba自旋轨道耦合对系统自旋热电效应的影响。
1.1 研究背景
随着当代电子器件应用的兴起，电子器件在工作中产生热量的问题越来越受人们的关注。这些电子器件在工作中产生的废热的合理的利用成为解决不必要的能量流失的关键。自旋电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
子学是物理学中的一个新的学科分支[1]，兴起于凝聚态物理学，自旋电子学的主要研究是如何在固体中对于自旋自由度进行有效的控制和掌握[2]，研究自旋极化在金属和半导体中的实现，研究关于自旋动力学、如何实现自旋极化的输运和对电子自旋的检测等问题。
1.2 自旋电子学的起源
80年前, 狄拉克提出了相对论量子力学,相对论量子力学由两部分结合而成，一部分是量子力学，另一部分是爱因斯坦的相对论。这个英国著名的理论物理学家有力地使用他创建的理论阐述了那种磁矩或着说角动量存在于电子上的原因[3], 这种特别的磁矩或者角动量被称为电子的自旋。很明显，通过狄拉克的相对论量子力学，电子不仅具有质量和基本电荷这些基本属性，而且拥有自旋属性。
1857年，科学家Thomson在多晶结构的Fe中探寻出了磁电阻效应 (Anisotropy Magnetore．Sistance，AMR)，这种磁电阻效应具有各向异性，而传统的微电子学讨论的只是普通的金属和半导体，所以电子的自旋特性在研究电子输运的过程中常常被人们忽略。在20世纪50年代，超导体在被人们研究的时候，电子的自旋特性被考虑进入其中，加入超导输运的准粒子是一种由电子所组成的库柏对[4]，这种库柏对来自于费米面附近，两个自旋方向相反、动量矢量的方向也相反的电子，闻名的BCS理论则在此基础上建立起来。虽然BCS理论在研究电子的输运过程中将电子的自旋自由度考虑到其中，但是在由两个电子组成的库柏对中，电子的自旋总是以相反的形式出现的，所以在电子输运过程中两种不同自旋的电子之间的不同之处没有能够体现出来。
1986年，在Fe/Cr/Fe薄膜的试验中，德国的物理学家Grtinberg等人发现在Fe/Cr/Fe薄膜中拥自旋相关的散射性质，并且在研究这种散射时得到了这样一种结论：随着Fe/Cr/Fe薄膜中Cr厚度的变动，反铁磁耦合效应会存在于Fe/Cr/Fe薄膜中的两个Fe层中。接着，使用分子束外延的方法[5]，法国的Baibich等人制备了Fe/Cr多层膜，并探讨Fe/Cr多层膜的电阻特性。
在界面处，拥有不同的自旋取向的两个电子，它们所受到的散射也是不相同的。假设电子自旋的方向和铁磁层的磁化方向一致，在这种情况下，电子所受到的散射比较小，而当电子自旋的方向和铁磁层的磁化方向不一致时，电子所受到的散射比较大。那么在Fe/Cr多层膜结构中，当存在着反铁磁耦合效应的时候，相邻Fe层的磁化方向呈现反平行状态[6]，此时不论哪种自旋取向的电子所受到的散射都较大。所以当外界磁场较大，且系统处于一种高电阻状态的时候，所有铁层的磁化方向将由外部磁场的磁化方向决定，表现为同向，这种情况下的系统将处于一种低电阻的状态。巨磁电阻效应由此被发现。
1.3 基本概念
1.3.1 电子的自旋
电子的自旋是电子的基本性质之一。众所周知，电子具有两个重要的属性，一种属性表现为带有电荷，另一种属性表现为自旋。在电场中运动中的电子，由于带有电荷从而在运动中产生电流。现代的微电子技术只是将电子的电荷属性考虑进其中，忽略了电子的另一个重要属性，就是电子的自旋属性。电子的自旋属性首先是通过实验被人们发现的，然后从理论上人们通过狄拉克（Dirac）方程将其推导出来。1928年，关于电子相对论的波动方程由狄拉克给出，电子的相对论波动方程中包括了电子的自旋和自旋磁矩。由于电子自旋属于量子效应，所以电子自旋没有办法用经典理论来解释。
1.3.2 自旋电子学
事实上，早在20世纪20年代，电子拥有自旋特性的性质就被人们发现了，后来人们发现随着材料磁化状态的变化，其磁化状态的改变会使这种材料的电阻率也随着改变。这种现象被称为巨磁电阻效应[7]，这种巨磁电阻效应可以使用相关的自旋散射来解释，并且这种巨磁电阻效应还可以使用双电流模型来解释，电子自旋的应用价值才开始被人们了解到。对于电子自旋的研究已经成为当今研究热点课题，并且自旋电子学这个新的研究领域正在逐渐形成。
自旋电子学是利用电子自旋属性进行工作的电子学。每一个电子都携带一定的电量，电子除了电荷的属性外还具有另一个重要的属性，就是电子具有电子自旋。自旋电子学中，电子自旋存在两个自旋角动量数值，它们是。其中的正号表示电子自旋的方向为“自旋朝上”，负号表示电子自旋的方向为 “自旋朝下”，量子物理学中的基本物理常数，称为普朗克常数。一般来说，两个自旋极化方向相反，大小相等的电子形成电流时会表现为无自旋极化电流。当自旋极化“朝上”与“朝下”的电流大小不相等的时候，就会有自旋极化电流的产生。当只存在自旋极化“朝上”或“朝下”的电流时，则此自旋极化电流被称为纯自旋极化流。
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