基于HgTe量子阱的拓扑边缘态输运特性研究

最近的研究指出，在准一维半导体材料(HgTe/CdTe)的量子受限结构中，电荷能够通过量子自旋霍尔边缘态实现其输运：此边缘态只允许具有特定自旋的载流子沿着某一特定的方向输运。不同于一般的正常带隙半导体材料，HgTe/CdTe量子阱具有特殊的电子结构，随着量子阱厚度的不同，能带结构发生反转。由于自旋轨道耦合，产生拓扑边缘态，这种通过边缘态输运的载流子，其能量耗散非常小，这种边缘态效应对于未来电子集成电路的应用和发展将产生重要的作用。我们的理论研究从8带 Kane模型的哈密顿量出发，通过数值模拟研究Dirac费米子在不同的势场下(电场、磁场、磁杂质、自旋轨道耦合等)，在不同器件结构中的电子输运特性，如量子自旋霍尔效应，电子相干弹道输运、库仑阻塞等，这将对自旋电子器件的设计及其电子输运特性的理解起到重要的指导作用，同时对拓扑绝缘体材料在纳米电子器件和自旋电子器件方面的研究和应用奠定了基础。

本课题的理论研究从8带 Kane模型的哈密顿量出发，通过数值模拟研究Dirac费米子在不同的势场下(电场、磁场、磁杂质、自旋轨道耦合等)，在不同器件结构中的电子输运特性，如量子自旋霍尔效应，电子相干弹道输运、库仑阻塞等，这将对自旋电子器件的设计及其电子输运特性的理解起到重要的指导作用，同时对拓扑绝缘体材料在纳米电子器件和自旋电子器件方面的研究和应用奠定了基础。在HgTe的物性研究方面，重点研究了HgTe的电学、磁学和光学等性能，建立了研究HgTe中载流子量子行为的理论方法。在此基础上，我们进一步研究了电子在拓扑绝缘体材料中，在磁场调控下的电子输运特性。通过掺杂磁杂质或者施加铁磁条来产生局域磁场，我们可以研究拓扑边缘态在局域磁场调控下以及磁掺杂交换机制作用下的输运特性。目前研究发现，HgTe量子阱中的准一维受限结构具有明显的巨磁阻效应；此外，我们还研究了电子在拓扑绝缘体材料中，在电场调控下的电子输运特性--电子输运通过双量子点接触情况下的共振隧穿，电子的边缘态-体带之间的耦合干涉情况.