自旋轨道耦合对石墨烯基超导异质结输运特性影响的理论研究

With the development of the micro processing technology and nanotechnology, conventional microelectronic devices would eventually reach the limits of the physical law. To get rid of this dilemma, the demand in the research of electrical attributes of nanoscale quantum devices has been steadily becoming urgently. In the project, the transport characteriscs of low energy quasiparticles under the influence of spin-orbit interaction and structure parameters through graphene-superconducting heterojunction are considered on the base of the transport model which includes the spin-orbit interaction. Meanwhile, to provide an important reference to the design of graphene-superconducting electron devices based on graphene materials, the route to modulate the transport properties of graphene-superconducting heterojunction will be investigated. Furthermore, since a graphene-superconducting structure can exhibit specular Andreev reflection in contrast to the usual retro Andreev reflection observed in conventional materials, it is expected that a series of novel and intriguing quantum phenomena will be revealed. Overall this project not only has an important application value, it also possesses a significant theoretical research significance.

随着微加工技术和纳米技术的发展，常规微电子器件将逐步达到其经典物理极限，迫切需要人们去研究处于纳米尺度量子器件的电学特性。本项目旨在构建包含自旋轨道耦合效应的石墨烯基超导异质结中准粒子输运模型来研究其中低能激发准粒子的输运特性，掌握自旋轨道耦合效应及其结构参数等对其中低能激发载流子输运特性的调控关系。通过理论研究以期为构造石墨烯基超导量子器件提供科学依据和理论指导。此外，在超导石墨烯材料界面上所特有的 Specular-Andreev 反射与普通材料超导结界面处的 Retro-Andreev 反射有着定性的不同。所以我们预期对包含自旋轨道耦合效应的石墨烯基超导异质结中准粒子输运特性的研究将揭示出一系列新颖、迷人的量子现象。因此本项目的研究不仅具有重要的应用价值，而且具有重要的理论研究意义。?

在本项目中，我们首先基于Dirac–Bogoliubov–de Gennes 方程对石墨烯基金属/ s-波超导体结中的相对论性准粒子的传输特性进行了详细的研究。对于石墨烯薄膜超导电性的获取大致分为以下两种途径：首先，通过近邻效应实现超导石墨烯的方法已经在实验上获得成功。因为在实验研究方面，人们已经在石墨烯基约瑟夫森结中观测到超流现象和多重 Andreev 反射现象。其次，最近的研究表明: 当石墨烯薄膜吸附或者掺杂特定的金属离子的时候，我们也可以在石墨烯薄膜内获得稳定的超导特性。我们首先给出了单结的结果。我们详细探讨了 Andreev 反射和镜面Andreev 反射对自旋轨道耦合的响应性能，并且进一步探讨该结构电导对入射电子的能量、角度、结构参数和自旋轨道耦合效应的响应特性。结果显示折回Andreev 反射和镜面Andreev 反射对两种自旋轨道耦合（内部Desselhaus自旋轨道耦合和外部 Rashba 自旋轨道耦合）的响应特性具有定性的不同，我们可以基于不同的响应特征来辨析、探测镜面Andreev 反射。此外，与折回Andreev 反射的情况不同（能隙内的电导一直随着入射能量的增加而增加），镜面Andreev 反射情况下的能隙内的电导将会在一个特定的入射能量的时候达到极大值并且这个入射能量还随着自旋轨道耦合效应强度的变化而变化。随后我们对一个包含自旋轨道耦合的约瑟夫森结进行了详细的研究。结果表明约瑟夫森结中 Andreev 束缚态对内部Desselhaus自旋轨道耦合和外部 Rashba 自旋轨道耦合有着紧密的依赖关系。我们可以通过两种自旋轨道耦合效应对界内的Andreev 束缚态进行具体的调节，进而对约瑟夫森结内临界超流和流相关系进行相应的具体调控。我们的工作表明自旋轨道耦合不仅可以作为辨析、探测镜面Andreev 反射一个新的途径方法，而且由其调控的超导异质结构可以为新型石墨烯基纳米电子学器件的设计提供一个新选择。