四终端量子环自旋输运的性质

提出了铁磁/半导体/铁磁结构的四终端量子环模型,研究表明:透射概率随半导体环增大做周期性等幅振荡,并与电子的自旋方向和铁磁电极的磁矩方向相关。上下电极的平均透射概率均比右侧电极的大,但四终端量子环的平均透射概率及其振荡频率均比两终端量子环的低。Rashba自旋轨道耦合具有促使透射概率产生零点的效应,AB磁通对透射概率具有影响。     

量子环终端布局对自旋输运的影响

研究了量子环透射终端与入射终端相对位置改变时的变化规律。研究结果表明:透射概率和自旋极化率随半导体环尺寸的增大作周期性振荡,都与透射终端位置的改变相关;铁磁电极、Rashba自旋轨道耦合、外加磁场对透射概率和自旋极化率具有不同影响;透射概率随δ势垒强度增加单调减小,自旋极化率随δ势垒强度增加单调增大。     

准周期耦合量子点的输运性质

讨论了一种一维准周期系统的输运性质.该系统由一系列Fibonacci耦合的量子点组成.利用转移矩阵方法并考虑实验技术,推导了通过一系列量子点的电子透射几率,从而讨论了电导与磁场和电压的关系.通过数字计算获得了具有非常丰富结构的透射谱,这种结构的丰富性依赖于量子点间的耦合.     

稀磁半导体异质结构的自旋极化输运性质

采用格林函数方法和群速近似研究在电场、磁场作用下电子渡越稀磁半导体异质结构的自旋过滤及自旋分离的特征。研究表明具有不同自旋指向的极化电子渡越同一稀磁半导体异质结构 ,不仅隧穿几率存在着显著的差异 ,而且渡越时间的差异可达几个数量级。这种差异随着外磁场的增强而加大 ,而随外电场的增强而减小。结果意味着稀磁半导体异质结构具有很好的自旋过滤效果 ,且极化电子渡越此类结构在时间上是分离的     

SiGe/Ge/SiGe异质结构中自旋极化输运特性的模拟

利用蒙特卡罗方法对SiGe/Ge/SiGe异质结构的自旋极化输运特性进行了模拟研究．在Ge沟道调制掺杂异质结构形成的二维空穴气中,空穴的自旋进动主要受Rashba自旋轨道相互作用控制．在77～300K的温度范围内,对自旋散射长度、自旋极化率等自旋极化输运特性进行了研究．模拟结果显示,低温和窄宽度沟道有利于减小散射对自旋极化输运的影响,避免自旋极化率衰减,增大自旋散射长度．栅控的漏端电流自旋相关效应使器件跨导增大,并产生负跨导效应．     

SiGe/Ge/SiGe异质结构中自旋极化输运特性的模拟

利用蒙特卡罗方法对SiGe/Ge/SiGe异质结构的自旋极化输运特性进行了模拟研究.在Ge沟道调制掺杂异质结构形成的二维空穴气中,空穴的自旋进动主要受Rashba自旋轨道相互作用控制.在77～300K的温度范围内,对自旋散射长度、自旋极化率等自旋极化输运特性进行了研究.模拟结果显示,低温和窄宽度沟道有利于减小散射对自旋极化输运的影响,避免自旋极化率衰减,增大自旋散射长度.栅控的漏端电流自旋相关效应使器件跨导增大,并产生负跨导效应.     

自旋阀中的极化输运与相关自旋新材料及结构研究

电子既是电荷的载体又是自旋的载体。电子作为电荷的载体,使二十世纪成为了微电子学的天下。而随着1988年巨磁电阻(GMR)效应发现以来,通过操纵电子的另一量子属性——自旋,使新一代的电子器件又多了一维控制手段。电子自旋的研究涵盖了金属磁性多层膜、磁性氧化物、磁性半导体等众多体系,探寻这些体系中自旋输运的基本原理是研究的重点。目前,基于传统自旋阀中极化输运及自旋电子学的发展,对新材料和新结构的研究尚不成熟,还有众多科学问题亟待解决,诸如:如何在室温下获得更大的巨磁电阻变化率、提高器件的稳定性及灵敏度、自旋阀中交换偏置场产生的物理根源、实现自旋同半导体完美结合的材料、结构及方法等。因此,基于国内外自旋电子学研究的重点,首先围绕最基本的自旋阀纳米多层膜结构,开展了自旋阀多层膜制备、设计、结构优化、自旋阀交换偏置核心结构物理机制探索等研究;其次,提出了三种异质结新结构,并以大自旋极化率Fe3O4磁性半金属为核心材料,开展了自旋阀、新异质结研究;最后,在理论与材料研究的基础上,对自旋器件进行了设计与实验研究,获得了一些有益的结果:(1)理论方面,基于自旋电子器件进一步发展对新结构、新材料发展的需求,提出了磁性半导体/半导体、磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料的新自旋异质结模型。理论分析发现,利用磁性半导体/半导体异质结,在负偏压的作用下可实现自旋电子的极化输运,而利用磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料异质结可实现趋于100%的磁电阻变化率。另外通过计算,对可实现的磁阻效应及对材料的要求进行了详细研究,为新材料的应用奠定了一定的理论基础。(2)虽然基于自旋阀核心结构的自旋电子器件研究已开展了多年,但如何进一步提高自旋电子器件的磁电阻效应、灵敏度、工作范围、工作稳定性和解决这些问题的物理机制,仍是自旋电子学中的一个热点。因而,首先基于Mott二流体模型发现自旋阀巨磁电阻受磁性材料、非磁性材料、自旋极化率、自旋扩散长度、厚度、尺寸、电阻率等影响明显,因而可通过改善制备工艺条件及各层的材料、厚度改善自旋阀的性能,探寻提高巨磁电阻变化率、灵敏度等的有效途径。其次,以理论分析为指导,实验上首先制备Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn传统自旋阀多层膜,研究了自由层、隔离层、钉扎层、反铁磁层厚度对巨磁电阻效应的影响,找到了最佳的制备工艺;其次,研究了缓冲层材料对自旋阀灵敏度、巨磁电阻效应的影响。发现由于缓冲层元素表面自由能的影响导致了自旋阀灵敏度的改变,指出选择适当表面自由能的缓冲层,可有效改善自由层薄膜的性能,为提高器件的灵敏度提供了有效的途径;最后,基于室温磁场下制备自旋阀交换偏置场较小、工作范围较窄的问题,通过对传统结构的改进,提出了新型双交换偏置场自旋阀模型,为增大器件工作稳定性、人为调制器件工作范围,提供了有效手段。(3)交换偏置在自旋电子器件中具有核心地位,但到目前为止,其产生的物理根源、影响其大小的因素仍是未解决的难题。因而,基于自旋阀的核心结构——铁磁/反铁磁交换偏置效应,研究了NiFe/FeMn双层膜钉扎层、被钉扎层厚度、材料微结构、底钉扎、顶钉扎结构等对交换偏置的影响,分析了交换偏置产生的物理根源;研究了制备磁场大小对钉扎场大小的影响,发现了利用大磁场可实现提高交换偏置的新方法,并利用52kA/m(650Oe)的大磁场在1~2nm的NiFe钉扎层中实现了接近48kA/m(600Oe)的交换偏置场。(4)基于自旋阀测试,研究了初始测试磁场平行与反平行于交换偏置场方向,测试电流的大小对交换偏置场的影响。并用大脉冲电流,在初始测试磁场反平行于交换偏置场方向的样品中,首次实现电流矩在电流沿膜面流动自旋阀结构中对钉扎场的翻转,为铁磁/反铁磁双层膜体系产生交换偏置的机理提供了新的研究途径,并对自旋阀的应用提出了新的挑战。(5)为探寻高自旋极化率的新材料,开展了半金属磁性材料Fe3O4薄膜制备工艺的研究。通过改变溅射功率、退火温度、缓冲层、磁场沉积等,在200W溅射功率、300℃的退火温度、24kA/m(300Oe)沉积磁场的最佳条件下获得了高晶粒织构、成分单一的Fe3O4薄膜,并通过对氧气氛的调节,实现了无缓冲层高性能Fe3O4薄膜的制备。(6)利用所制备的Fe3O4薄膜,进行了基于Fe3O4自旋阀的制备,发现Fe3O4薄膜同其它金属材料间电阻率的失配,是造成巨磁电阻效应低的原因;另外,基于理论提出的磁性材料/半导体异质结,制备了Fe3O4/n-Si纳米结,初步实现了磁性材料到半导体的自旋注入与输运。     

纳米环中基于自旋轨道耦合的自旋过滤效应

理论研究纳米尺度半导体量子环中的电子自旋极化输运现象。量子环的每个臂上生长一个半导体量子点,其中存在Rashba自旋轨道耦合相互作用。在外加磁通的联合作用下,流过体系的自旋朝上和朝下的电子将获得不同的相位,从而发生不同的干涉效应。在适当调控体系参数的情况下,只能有一种自旋取向的电子通过,即发生了自旋过滤效应。此结构能在现有的实验条件下实现,并有望能得到实际的应用。     

三终端多臂量子环中的持续电流

本文提出了三终端多臂量子环模型,并采用特殊方法来计算持续电流,研究发现：总磁通为零时,持续电流随半导体环增大做非周期和不等幅的振荡.总磁通不为零时,持续电流随AB磁通增强做周期性等幅振荡,Rashba自旋轨道耦合具有改变两种持续电流位相和位相差的效应. 平均持续电流的大小与各臂的臂长和所处的位置以及磁通分布相关.AB磁通对两种持续电流具有不同影响,两种持续电流是可分离的.     

非均匀磁场下不同自旋轨道耦合相互作用对高自旋系统热纠缠的影响

采用纠缠的度量方法negativity研究了非均匀磁场条件下不同方向自旋轨道耦合相互作用对自旋为1的Heisenberg XX系统热纠缠的影响。研究发现高温时纠缠会随着Dzialoshinskii-Moriya(DM)相互作用的增加而增大,但是低温时,纠缠随DM相互作用的增加会出现起伏变化。x方向DM相互作用的纠缠一般较z方向DM相互作用的纠缠强,但是在一定条件下,z方向的纠缠也会高于x方向的纠缠,从而可以通过调节DM相互作用的方向等控制和生成纠缠、研究还发现可以利用纠缠关于磁场的对称性质以及纠缠的突变性来实现量子逻辑门、     

Spin transport properties in double quantum rings connected in series

A new model of metal/semiconductor/metal double-quantum-ring connected in series is proposed and the transport properties in this model are theoretically studied.The results imply that the transmission coefficient shows periodic variations with increasing semiconductor ring size.The effects of the magnetic field and Rashba spin-orbit interaction on the transmission coefficient for two kinds of spin state electrons are different.The number of the transmission coefficient peaks is related to the length ratio between the upper arm and the half circumference of the ring.In addition,the transmission coefficient shows oscillation behavior with enhanced external magnetic field,and the corresponding average value is related to the two leads’ relative position.     

Persistent spin currents in a triple-terminal quantum ring with three arms

A new model of a triple-terminal quantum ring with three arms is proposed.We develop an equivalent method for reducing the triple-terminal quantum ring to the double-terminal quantum ring and calculate the persistent spin currents in this model.The results indicate that the persistent spin currents show behavior of nonperiodic and unequal amplitude oscillation with increasing semiconductor ring size when the total magnetic flux is zero. However,when the total magnetic flux is non-zero,the persistent spin currents make periodic equal amplitude oscillations with increasing AB magnetic flux intensity.At the same time,the two kinds of spin state persistent spin currents have the same frequency and amplitude but the inverse phase.In addition,the Rashba spin-orbit interaction affects the phase and the phase difference of the persistent spin currents.The average persistent spin currents relate to the arm length and the terminal position as well as the distribution of the magnetic flux in each arm.Furthermore, our results indicate that the AB magnetic flux has different influences on the two kinds of spin state electrons.     

两端联有铁磁电极的A-B环中的双量子点自旋极化输运

运用Keldysh格林函数方法,研究了两端联有铁磁电极的A-B环中的双量子点自旋极化输运.研究结果显示,系统的隧穿电流、自旋向上电流、自旋向下电流以及自旋累积明显的受自旋极化强度、外加电压和磁通的影响,并且随着极化强度的增大,在平行与反平行组态下的隧穿电流都减小,另外还出现了自旋分流现象.通过改变磁通,能明显地观察到两条通道的干涉现象.反平行组态下的自旋累积会随着极化强度的增大而增大.     

量子点接触中的自旋过滤特性

利用可调节自旋过滤器模型,首次计算并讨论了磁场和电子跃迁能量间隔变化对量子点接触结构中自旋电子过滤特性的影响。研究发现,磁场和电子跃迁能量间隔的变化引起了自旋电子隧穿概率和隧穿电导都呈现出量子台阶效应,磁场的增加使电子的回旋频率和电子的Zeeman能级分裂同时加强,从而导致量子点接触结构中的横向约束加强,而自旋过滤效应明显减弱;当磁场一定时,电子跃迁能量间隔越小,电子的自旋过滤效应越明显。电子跃迁能量间隔改变的同时,也改变了鞍形势的势垒形状和自旋过滤的灵敏度。对于不同的材料,同时考虑磁场和电子跃迁能量间隔的作用可以找到自旋过滤器的最佳过滤效果。尤为重要的是过滤器的结构可以用标准的电子束技术很容易得到,所以研究结论为设计新型自旋过滤器提供了理论依据,具有广阔的应用前景和潜在的商业价值。此外,使用朗道因子值较高的材料作自旋过滤器的衬底,可以进一步提高过滤器的性能。     

三终端量子环的透射概率和概率流密度

透射概率和概率流密度随量子环增大都会发生振荡。δ势垒增强会使概率流密度在下臂中单调增,在上臂中单调减。AB磁通增强时,透射概率和概率流密度都会发生振荡。在一定条件下,上臂左右段概率流密度之间存在对称性。     

有序双重的量子盲签名协议

考虑现实生活中跨行交易的情形,需要两方银行对同一账单进行签名,首次提出了一个基于量子相干性和量子纠缠性的有序双重量子盲签名协议。消费者先将消息盲化,两方银行先后对盲化消息进行有序签名。协议的优势是验证方只需要进行粒子测量,并不需要实施量子酉变换。此外,与其他主流的单重量子盲签名方案相比,验证签名时的效率和正确率有明显的提高。