太赫兹光及稳恒外场调控下若干低维量子体系中自旋输运现象研究

Low-dimensional semiconductor quantum systems are of interest not only for fundamental and theoretical research, but also for potential applications. Electric modulation, magnetic modulation or optical modulation to low-dimensional quantum systems have been key ways to study not only in the field of scientific community but also in the field of industries. Each different modulations can reveal rich quantum informations on quantum systems. We focus our attention on two-dimensional (2D) graphene, 2D II-IV diluted-magnetic semiconductor/nonmagnetic barrier quantum structures, quantum dot, and quantum-dot-ring, etc. By applying Terahertz light, electric field or magnetic field or all of these external fields, we mainly study spin-dependent transport phenomena in such structures,including spin filtering, spin-polarized transport, spin thermoelectric effects, etc. We will develop theoretical and computational methods, establish reasonalble theoretical models. Moreover, based on semiconductor materials, we will design noval low-dimensioanl quantum structure with optimal spin-filtering effect, predict novel spin-related phenomena and effects, reveal the relationship among Terahertz light, materials, and corresponding structures, thus provide physical models and theoretical fundament for its practical applications.

低维半导体量子体系不仅具有重要的基础理论研究意义, 而且具有潜在的应用价值。对低维量子体系实施电调制、磁调制或光调制一直是学术界乃至工业界普遍采用但又十分重要的研究手段, 每一种调控手段都可以给出系统丰富的量子信息。本项目拟针对二维石墨烯、二维II-IV稀磁半导体/非磁垒结构、零维量子点及量子点环等低维量子结构, 通过对其实施电调制、磁调制、太赫兹光调制或这些外场的联合调制, 研究其中自旋依赖的输运现象, 重点研究自旋过滤效应、自旋极化输运、自旋热电效应等, 发展有关理论处理方法和计算方法, 建立合理的物理模型, 设计基于低维半导体材料的具有显著自旋过滤效果的量子结构, 预言自旋相关的新现象及新效应, 揭示太赫兹光与材料及其结构之间的关系, 为可能的应用提供物理模型和理论依据。

低维量子系统蕴含丰富的物理又具有广阔的应用前景。项目采用非平衡态格林函数法、转移矩阵法、有效质量近似及Floquet理论,针对多种二维材料量子系统、稀磁半导体异质结及超晶格、量子点等,通过电、磁、太赫兹光调制或联合调制,研究了其中的自旋输运、谷输运、自旋热电效应等,发展了相关理论和计算方法,设计了一些自旋量子结构,揭示了外场与材料及其量子结构之间的复杂而有趣的关系,为可能的应用提供了物理模型。. 研究了磁调制下周期稀磁半导体/非磁垒超晶格结构中的渡越时间,发现渡越时间谱形成了自旋依赖的共振带。发现调节太赫兹光的强度和频率可以精准调控稀磁半导体结中自旋共振峰的位置及依赖于自旋指向的共振增强与抑制效应。发现太赫兹光场、电场和磁场联合调制下稀磁半导体/非磁垒结构中存在丰富的自旋输运现象。.研究了太赫兹光和磁场调控下InAs量子点中自旋输运、自旋热电效应及AB环量子点系统的Fano共振和热电输运,获得了100%的自旋极化平台,发现通过调节两端太赫兹光的频率可改变热电流的方向;发现AB环量子点系统中调节两电极非对称太赫兹光频率的比值,热流呈现显著的冷却效果。. 研究了自旋轨道耦合及外电场对石墨烯中自旋和谷输运性质的影响,表明随着电场增强,自旋/谷极化率增大,带隙可以改变自旋极化方向。研究了电磁调制硅烯结构中的自旋、谷输运性质及磁调制硅烯超晶格结构中色散关系及输运性质,发现准粒子以大角度入射单或双电势垒调制的硅烯时,可以产生理想的线型共振峰,在超晶格结构中出现自旋依赖的共振带结构,指出线型共振峰可能的应用。. 提出通过调控局域交换场强度和方向可以在锗烯和锡烯中实现优良的整流特性，据此提出一种锗(锡)烯的自旋流二极管；基于非共线性交换场对锗烯纳米带热自旋效应影响的研究提出一种热自旋产生器。研究了圆偏振光与谷塞曼场调控下单层二硒化钨结构中的自旋和谷输运,指出谷输运性质显著依赖于圆偏振光的偏振方向,发现类二极管的正反方向导通的双向开关现象。