时间有关外场调控下小量子结构中电子输运

Recent years, the quantum transport of nanoscale systems in the presence of time-dependent external fields has become active issue in mesoscopic physics. In practical applications and experimental researches, it is of great importance to have comprehensive understanding of the effects of quantum coherence and electron correlations on the full counting statistics (FCS) of electronic tunneling through a multi-quantum-dot (MQD) system in the presence of time-dependent potentials. This project will employ the gradient expansion based on nonequilibrium Green's function (NGF) technique to study quantum adiabatic pumping and its FCS in a MQD. In particular, we will examine the relationship among charge pumping, spin pumping, and energy pumping, and explore the possibility of pure spin pumping with vanishing charge and energy pumpings to obtain dissipationless spin manipulation schemes. We will further investigate the shot noise of quantum adiabatic pumping and discuss the condition of realization of charge transfer at low noise levels. On the other hand, in this project we will also employ the charge-conserving Floquet-NGF method to investigate the nonadiabatic pumping and its FCS in a MQD subject to time-dependent external fields, and to discuss current suppression behavior under different quantum interference patterns. These knowledges will be valuable useful to understand the unique properties of nanscale systems by the influence of time-dependent external fields and to guide the design and fabrication of quantum devices.

近年来，小量子系统在时间有关外场作用下量子输运的研究成为介观物理的热点课题。开展针对小量子点复合结构中电子相干与关联性质对其受控电子隧穿及完全计数统计性质的理论研究，对实际量子器件的设计制造具有重要的指导意义。本项目拟采用非平衡格林函数梯度展开方法研究复杂量子点结构中量子绝热泵问题。我们将综合考察量子点复合结构内量子相干性及电子-电子、电子-声子相互作用对量子绝热泵的影响，研究电荷泵、自旋泵及热泵流的关系，寻找无电荷泵与热泵流条件下非零纯自旋泵流的存在性及最优条件，以实现无损耗的自旋调控方法。进一步研究绝热泵噪声性质，讨论实现低噪声电荷搬运条件。另外我们还将采用自动满足电流守恒条件的Floquet-非平衡格林函数方法研究耦合量子点，苯环，DNA等单分子器件中非绝热光场调控电子隧穿，讨论小量子系统内量子相干性与电流抑制的关系。同时将进一步发展此方法研究其完全计数统计性。

小量子系统在时间有关外场作用下量子输运性质是目前介观物理领域研究热点。开展针对小量子点复合结构中电子相干与关联性质对其受控电子隧穿性质的理论研究，对实际量子器件的设计制造具有重要的指导意义。本项目的主要成果是发展了可以系统地研究小量子点在任意时间相关外场作用下的瞬态电子响应方法。该方法是基于非平衡格林函数理论及费米分布函数的Pade展开，从而建立电子的密度矩阵元在任意时间相关外场作用下的运动方程。这些运动方程对无关联体系是严格的。以此为基础，我们进一步把该方法分别扩展到适用于杂化量子点结构，包括量子点-超导电极及量子点-Majorana纳米线，并应用该方法系统研究了这些复杂结构的量子电容及弛豫电阻等性质。在本项目资助下我们的其他成果包括：1. 采用非平衡格林函数技术研究有机分子量子点中强电子-声子相互作用条件下电子隧穿的瞬态电流性质；2. 基于非平衡格林函数方法，把我们的能正确计算强电声子相互作用在非平衡条件下推迟自能技术进一步扩展到包含超导电极的杂化分子结单电子器件情况，推出了在强电子-声子作用条件下Andreev隧穿电流完全计数统计生成函数的一般公式，从而得到其电流及噪声公式；3. 研究了有限长dimer原子链在拓扑相情况下新奇的输运特性。我们发现在拓扑相下，与非拓扑相相比其透射相移，线性（Andreev）电导及电流噪声表现出相反的奇偶宇称变化；4. 研究了相互作用量子点连接一个超导端和两个铁磁导体端系统的电子隧穿性质。对这样的杂化三端结构，偏压加到两铁磁电极中的一端(源)，而另一端(漏)和超导端均接地。可以定义两种不同的电导，一是源端电流与偏压的比值，称为局域电导，另一是漏端电流与偏压的比值，为非局域电导。量子点中由于超导邻近效应会产生Cooper对，同时由于强Coulomb相互作用及与两电极的隧穿连接会导致Kondo效应。我们主要讨论量子点中超导邻近效应与Kondo效应间的合作与竞争及其对量子点局域及非局域线性电导的影响。我们发现：当超导杂化效应较强(即超导端的隧穿概率大于量子点与源与漏两端的隧穿概率)时，在Kondo 区会出现非局域电导为负的现象；当两端铁磁导体的极化率较大时Kondo 区以及电导为负的区域会变小；当量子点能量偏离Kondo区时，超导端的作用会被屏蔽。