【摘要】：自從2004年石墨烯(Graphene)材料發(fā)現(xiàn)以來,對于相對論性費米子的研究已發(fā)展成為凝聚態(tài)物理學一個嶄新的熱門領域。由于其低能區(qū)域內(nèi)的線性色散關系,準粒子在該類材料中展現(xiàn)出許多新穎的物理特征,如:半整數(shù)量子霍爾效應、克萊因隧穿、鏡面Andreev反射、1/3亞泊松散粒噪聲以及手征反常等等。此外,鑒于其優(yōu)越的光電特性,該類材料不僅在理論研究領域受到了廣泛的關注,并且在半導體工業(yè)的應用領域也引起了人們極大的研究興趣。本論文針對相對論性費米子在石墨烯和外爾半金屬基的多種異質結中的量子輸運特性進行了相關的理論研究。(1)我們首先把自旋軌道耦合(spin orbit interaction,簡稱SOI)效應引入到石墨烯基超導異質結內(nèi)。通過DBdG(Dirac-Bogoliubov-de Gennes)方程,我們對石墨烯基金屬/s-波超導體異質結內(nèi)的相對論性準粒子的輸運特性進行了詳細的研究。我們詳細地探討了折回Andreev反射(retro-Andreev reflection,簡稱 RAR)和鏡面 Andreev 反射(specular Andreev reflection,簡稱SAR)對SOI的響應性能,并且進一步探討了該結構隧穿電導G對入射電子的能量和角度、結構參數(shù)以及SOI強度的響應特性。研究結果表明,當Rashba 自旋軌道耦合(Rashba spin orbit interaction,簡稱 RSOI)單獨存在時,位于超導能隙內(nèi)手征性相關的隧穿電導G表現(xiàn)出增強特性;當Dresselhaus自旋軌道耦合(Dresselhaus spin orbit interaction,簡稱DSOI)單獨存在時,位于超導能隙內(nèi)手征性相關的隧穿電導G卻表現(xiàn)出壓制效應。RAR零偏壓隧穿電導G和SAR零偏壓隧穿電導G對SOI表現(xiàn)出完全不同的依賴關系。此外,RAR零偏壓隧穿電導G和SAR零偏壓隧穿電導G對勢壘的依賴關系也存在著定性的差異。當RSOI和DSOI同時存在時,我們發(fā)現(xiàn)SAR隧穿電導G可以增強三個數(shù)量級。由于該異質結的電導可以通過SOI、電子的入射能量以及結構參數(shù)來具體地進行調節(jié),因此我們可以預期我們的研究結果將為相關超導量子器件的設計開發(fā)提供一個理論上的指導。(2)接著,我們通過DBdG方程和Furusaki-Tsukada(FTK)公式,對一個包含SOI的石墨烯基約瑟夫森結內(nèi)準粒子的輸運行為(臨界電流、偏離度以及流相關系)進行了詳細的研究。研究結果表明在包含SOI的石墨烯基約瑟夫森結內(nèi),Andreev束縛態(tài)對RSOI和DSOI有著緊密的依賴關系。因此,我們可以通過兩種SOI效應對約瑟夫森結內(nèi)的Andreev束縛態(tài)進行具體的調節(jié),進而對約瑟夫森結內(nèi)臨界超流和流相關系進行相應的具體調控。特別需要指出的是,本征石墨烯基約瑟夫森結內(nèi)的超流表現(xiàn)出非單調特性并且在某個特定SOI值,即β=λ/2(DSOI(β)強度等于RSOI(λ)強度的1/2),展現(xiàn)出一個最大值(奇點)。此外,我們對約瑟夫森結內(nèi)費米能級和勢壘的相關問題也進行了研究。研究結果表明約瑟夫森電流不僅可以被SOI調制,而且還可以通過弱連接區(qū)域的費米能級和界面處的勢壘進行具體的調控。由此產(chǎn)生的可觀測效應有:臨界電流的法布里-珀羅干涉效應和臨界電流隨勢壘的變化表現(xiàn)出π和π/2周期的諧振現(xiàn)象。我們的工作表明SOI不僅可以作為辨析、探測SAR的一個新的途徑和方法,而且由其調控的超導異質結構可為新型石墨烯基超導約瑟夫森量子器件的設計提供一個新的選擇。(3)然后,我們基于非平衡格林函數(shù)和Landauer公式,對三角形剪裁的鋸齒型石墨烯納米帶內(nèi)的輸運特性進行了相關的研究。研究發(fā)現(xiàn)局域的邊緣態(tài)可以使得石墨烯納米帶的上下邊態(tài)相互耦合,從而導致其隧穿電導G受到了極大的壓制。當考慮納米帶邊緣磁性時,在適當?shù)募舨贸叽缦?我們可以得到一個純的自旋流。此外,在低能區(qū)域,局域邊緣態(tài)的磁性也能夠對鋸齒型石墨烯納米帶的隧穿電導G進行相應的調控。該研究將為石墨烯基自旋電子學量子器件的設計提供一個新的方案和途徑。(4)最后,通過利用轉移矩陣方法,我們結合解析公式和數(shù)值計算,對外爾半金屬基共振結內(nèi)無質量外爾費米子的隧穿電導G和散粒噪聲進行了詳細的研究。通過研究我們發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)內(nèi)的散粒噪聲與勢壘的強度、結的結構、費米能級以及結晶角有著密切的依賴關系。當隧穿結的結構為準周期超晶格時,無序度對隧穿電導G和散粒噪聲的影響依賴于經(jīng)典隧穿和克萊因隧穿之間的相互競爭,這與傳統(tǒng)結內(nèi)的結果完全不同。此外,δ型勢壘對隧穿電導G和散粒噪聲的影響也至關重要。我們在單δ型勢壘結內(nèi)發(fā)現(xiàn)了普適的Fano因子,并且在δ型勢壘超晶格結構內(nèi)發(fā)現(xiàn)Fano因子的共振結構和δ型勢壘數(shù)目完全匹配。該理論研究結果將對基于拓撲外爾半金屬材料基納米電子設備的設計提供了重要的理論依據(jù)。
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB303
【圖文】：

Ｌ－？／邋ｉ邋ｉ邋３邋ｉ邋ｉ邋＾邐＾逡逑圖２－１石墨烯晶格及其原胞示意圖逡逑在圖２－１的示意圖中，我們可以寫出：逡逑５，邋＝邋ｙｆｉａｘ邋＝邋ｙｆｉａ（＼，邋０，邋０）逡逑－邐＿邋３ｆｌ邋—邋ｙ／３ａ邋／ｒ逡逑ａ２＝—ｘ￣Ｙｙ＝￣Ｙ＇＾邋我邋0）逡逑同時，我們可以給出：逡逑ａ３＝ｚ＝（０，邋０，邋１）逡逑注意，其中ａ＝１．４２邋Ａ是石墨稀材料中形成Ｃ－Ｃ鍵的最近鄰兩個原子逡逑之間的距離，即蜂窩狀六邊形單胞的邊長（晶格常數(shù)）。５３代表垂直于石墨逡逑烯材料表面的單位矢量。逡逑根據(jù)上面的正格子基矢，我們可以直接得到石墨烯材料的倒格子基矢：逡逑ｎ／３邋＿邋３邋，逡逑—邐—邐—邐—邐—邐—邐邐ａｙ邋—邋ｕｘ逡逑“￡＾￡１邋＝邋２萬」＾５＿邋＝邋２冗』１＾＿邋＝邋２冗邋２邋少邋２逡逑Ｖ邋５

２邋２逡逑其具體倒格子基矢如下圖２－２所示：逡逑ｙ個逡逑邐，逡逑Ｋ邋＾『Ｋ邐ｘ逡逑ｖ忌逡逑圖２－２石墨烯材料的倒格矢逡逑注意，石墨烯材料的倒格矢空間同樣是一個蜂窩狀結構，并且在其倒格逡逑矢空間同樣存在著兩個不等價ｋ點，我們把它分別表示為尺和／Ｔ，那么逡逑如上圖２－２所示的第一布里淵區(qū)內(nèi)兩個尺和的坐標可以表示為：逡逑Ｋ邋＝邋２ｎ邋—ｊ＝＾－ｘ逡逑３Ｖ３ａ逡逑Ｋ＇邋＝邋２ｔｔ＾－ｘ逡逑３ｙ／３ａ逡逑在這里，我們需要特別指出的是，根據(jù)下面的能帶計算表明：對于本征逡逑石墨烯，費米面就是其第一布里淵區(qū)的六個不等價的尺和／Ｔ點。根據(jù)其逡逑特殊的色散關系可以稱之為狄拉克（Ｄｉｒａｃ）點或者直接稱之為尺和點。逡逑２．２石墨烯材料內(nèi)緊束縛哈密頓逡逑石墨烯材料內(nèi)電子在緊束縛近似下的二次量子化形式的具體哈密頓量可逡逑以表示為：逡逑－５邋－逡逑

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 萬賢綱;王強華;;“晶體宇宙”中的神秘粒子:外爾費米子[J];物理學進展;2015年05期

本文編號：2721531