基于自旋轨道耦合的低维无序量子结构输运性质研究

The spin-dependent electron transport in low-dimensional quantum structures in the presence of spin-orbit coupling (SOC) has drawn intense attention in the field of condensed matter physics, since it is the physical basis of future spintronics devices. In the practical applications of the spintronics devices, the effects of disorders and geometical stuctures can not be neglected. By adopting the spin-resolved lattice Green function method, the influence of edge and SOC disorders on the spin-dependent electron transport in low-dimensional semiconductor quantum structures will be clarified in detail. Further, regular edge structures or SOC distributions are designed to manipulate the transmission of the spin-dependent electron. In addition, the effects of the geometrical stucture and disorders on the spin-dependent electron transport in topological insulator quantum structures will be investigated detailedly by using the scattering matrix method and the spin-resolved lattice Green function method, respectively. It is expected to find effective methods and physical rules to control the spin-dependent electron transport by geometrical structures. According to the former two studies, instructions on the experimental designment of spintronics devices will be put forward. This project not only provides guidances on the designment and application of spintronic devices, but also benefits to further understand the spin-dependent electron transport in low-dimensional quantum structures with SOC.

基于自旋轨道耦合的低维量子结构自旋电子输运是当前凝聚态物理领域中的热点问题,因为它是将来自旋电子器件的物理基础。在自旋电子器件走向实际应用的过程中，无序和体系几何结构效应是不能回避的问题。本项目首先拟采用与自旋相关晶格格林函数方法，详细研究边缘结构和自旋轨道耦合无序对低维半导体量子结构自旋电子输运的影响，并在此研究的基础上设计有规律的边缘结构或自旋轨道耦合分布来调控自旋电子传输。另外，分别采用散射矩阵方法和与自旋相关晶格格林函数方法，详细研究几何结构和无序给拓扑绝缘体量子结构自旋电子输运带来的新效应，希望找到通过结构调控自旋电子传输的有效方法和物理规律。综合以上两方面的研究，提出对实验工作有指导意义的自旋电子器件设计。本项目不仅对自旋电子器件的设计和应用有指导意义，而且也有助于对基于自旋轨道耦合的低维量子结构自旋电子输运更深刻的认识。

低维量子结构的自旋电子输运是当前凝聚态物理领域中的热点问题，它是将来自旋电子器件的物理基础。按照项目研究计划，采用传输矩阵、晶格格林函数方法结合Landauer-Büttiker公式研究了四种不同的低维体系的自旋电子输运性质，取得了一些有趣的研究结果。(一) 研究了自旋轨道耦合半导体量子线的自旋电子输运性质，发现边缘结构和外场可以调控系统的电荷和自旋输运，也可以调控局域自旋极化的空间分布。基于这些研究结果，提出了设计多功能自旋电子器件包括自旋过滤器，电荷/自旋开关和电荷/自旋存储器的理论方案。(二) 研究了拓扑狄拉克半金属的有限尺寸效应和电子输运性质，发现系统的电子结构随不同方向的受限呈现明显的各项异性的特点，进一步研究发现系统表面态输运可以通过侧向电场调控，因此可以用来设计全电的拓扑电子器件。(三) 研究了铁磁电极/拓扑绝缘体量子线/铁磁铁磁电极杂化结构的自旋电子输运性质，利用拓扑绝缘体条带具有螺旋形边缘态的特点，发现系统自旋电导可以通过边缘局域电极调控，因此该结构可能用来设计全电自旋晶体管。(四) 研究了铁磁石墨烯条带在Rashba自旋轨道耦合或/和应力调控下的自旋电子输运性质，发现外场可以使铁磁石墨烯的电子结构中产生自旋能隙。当费米能级处于能隙中时，系统可以产生全自旋极化电流，因此系统可能用来设计基于石墨烯的自旋电子器件。以上研究成果均以论文形式公开发表在国内外主流物理学术期刊上，达到了预期目标。