介观系统中的自旋极化输运

【摘要】： 本论文针对既具有重要应用价值，又具有基础理论研究意义的介观系统中的自旋极化输运现象做了较为系统和深入的理论研究。其目的一方面在于揭示介观系统中新效应的物理机制和规律，另一方面为设计和实现具有优良性能的量子器件提供物理模型和理论依据。在简要地回顾了低维介观体系物理研究中的一些重要实验和理论进展，并较详细地介绍了本文所采用的理论工具——非平衡格林函数方法之后，我们针对几个有趣的问题进行了研究。 首先我们从理论上提出了一种新型的能够产生自旋极化电流的设计，该装置构建在由随时间振荡的自旋相关的隧穿所伴随的开放耦合双量子点上。我们计算出了流过该装置的自旋极化电流的精确表达式。数值分析的结果表明，流经该装置的电荷流和自旋流可以由门电压、驱动场的频率以及外磁场控制；此外，通过该装置的自旋极化电流能够产生非常有趣的反共振行为。通过对限制在孤立的耦合双量子点中电子的动力学行为的详细分析，我们对此反共振行为做出了定性地解释并指出了其在自旋电子器件方面的可能应用。 然后我们研究了与局域声子模耦合的单分子和量子点的输运特性，重点关注声子效应对自旋流及其噪声谱的影响。自旋流由施加在量子点中的旋转磁场产生。结果表明电声子相互作用可以导致伴峰的出现，它们钉扎在能量等于声子频率整数倍的位置，峰的高度对电声子相互作用的强度非常敏感；此外，声子模对自旋流的零频噪声谱也有显著的影响。 最后，基于TMR体系下的无限U Anderson模型，我们讨论了在强电子关联和电声子耦合的共同作用下与金属铁磁电极相连的单分子或量子点中的量子输运特性。通过延拓的运动方程方法我们首先计算了谱密度和非线性微分电导。我们发现电声子相互作用在铁磁—量子点—铁磁强关联系统的自旋极化输运中扮演非常重要的角色。在铁磁电极处于反平行磁化位形时，其输运特性与其它的理论分析结果相类似。而在平行位形，则呈现出了非常不同的输运行为。由于铁磁电极磁特性的影响，Kondo共振峰和声子伴峰在平行位形下均劈裂为不对称的两个低密度的小峰。相应地其微分电导出现了一系列对称的伴峰极大，当电声子耦合较强时，这些伴峰的幅度甚至可以和Kondo共振峰相比。增加电声子的耦合强度导致了非线性微分电导的整体减小。此外，我们发现隧穿磁阻TMR在电声子相互作用的影响下出现了额外的极大值和极小值，在极化强度和偏压较小时其TMR值随偏压在正负值间交替变化；而在非线性区域，由于声子效应，正的TMR值随着极化强度的增加而显著增大。这些奇特的行为导致了非常不同的TMR线形，同时也暗示了隧穿磁阻TMR是探索Kondo共振不同特征行为的一个更为有效的工具。