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自旋轨道耦合作用对准一维纳米线量子点电子自旋态的影响

刘志海  
【摘要】:束缚在量子点中的电子自旋由于具有良好的相干性可以用于量子比特信息的储存和量子逻辑门的操作。电子自旋小的磁矩意味着需要很大的外界交流磁场去实现有效地电子自旋操控。然而,在具有空间反演不对称性的半导体材料中,因为有自旋轨道耦合作用电子的自旋状态可以通过一个外界交流电场来有效地操控。近十年来,半导体纳米线器件中的电子自旋轨道耦合对于新物理机制的探索具有重大而又深远的意义。在实验上,纳米线中的自旋轨道耦合作用一方面促进了电子自旋状态的快速电场操控,另一方面为由半导体纳米线和超导材料组成的混合系统提供了寻找马约纳拉费米子的一个有效平台。然而在实际的过程中,自旋轨道耦合作用也会通过电声相互作用而导致电子自旋状态的衰减。所以为了清楚地了解自旋轨道耦合作用对半导体纳米线中电子自旋状态的影响,就应该精确地考虑自旋轨道耦合作用。然而,在目前绝大多数的理论计算过程中经常把自旋轨道耦合作用当成微扰来处理,以至于会忽略掉强自旋轨道耦合效应。在这个毕业论文中,我们着重研究了强自旋轨道耦合作对纳米线量子点系统中电子自旋状态的影响,主要包含以下七个章节;在第一章我们简单地介绍了量子点系统,以及将它用于自旋量子信息处理的基本原理。在第二章我们主要介绍关于自旋轨道耦合作用的基本理论知识,其中包括描述量子点中电子自旋轨道耦合作用的有效哈密顿量,电子电偶极自旋共振和声子诱导自旋衰减的基本原理。为了方便理论的讨论,我们给出了在弱自旋轨道耦合作用下,计算单电子电偶极自旋共振频率和声子诱导衰减率的具体公式。在第三章我们主要研究纳米线双量子点中单电子的电偶极跃迁。相比于单量子点,在自旋轨道耦合作用下,在双量子点中一共存在着两种导致电子电偶极自旋共振的机制;点内不同轨道态的混合和点间自旋翻转隧穿。在双量子点中,单电子的电偶极自旋共振的频率和强度是由这两种机制共同决定的,并且可以通过调节外界磁场的强度或点间距离来改变共振过程中的主导机制。为了阐明强自旋轨道耦合作用对电子相干性的影响,我们还计算了由电声相互作用所导致的状态衰减。我们的计算结果发现,由于碲化铟等材料的高朗德g因子,即使是在很小的磁场情况下电子的自旋衰减也会因声子的瓶颈效应而得到相应的抑制。在第四章我们利用一个精确可解模型来研究磁场方向对纳米线量子点中电子自旋轨道耦合效应的影响。根据束缚电子的精确本征波函数,我们发现无论自旋轨道耦合强度多大,电偶极自旋共振频率永远随磁场方向做周期为π的周期变化。然而,对于由电声相互作用所导致的自旋衰减来说,随着自旋轨道耦合强度的增大,自旋衰减率的变化周期从π拓展到2π。在第五章我们研究了在强的自旋轨道耦合作用下量子点束缚势对一维方势阱量子点中电子电偶极自旋共振频率的影响。我们发现在一维方势阱量子点中电了的本征波函数的概率分布强烈依赖于势阱高度,并存在着能使电子电偶极自旋共振频率达到最大的最佳势垒高度。在第六章我们主要研究在有外界磁场的情况下强自旋轨道耦合作用对纳米线双量子点中两个电子交换作用的影响。我们发现描述纳米线双量子点中两个电子交换作用的有效哈密顿量可以化简为Moriya超级各向异性交换作用哈密顿量。在存在均匀的外界磁场的情况下,电子的各向异性交换作用可以通过一个幺正变换转变成一个各向同性的交换作用。然而此时,外界均匀磁场变成了一个等效非均匀磁场,等效磁场的非均匀性体系了电子的自旋轨道耦效应的强弱。并且我们发现在纳米线双量子点中可以通过改变电子自旋轨道耦合的强弱来改变自旋交换作用的强度,还可以通过调节外界磁场方向来控制各向异性交换作用的方向。在最后一章我们对本论文的研究课题做出来了总结,并对未来工作进行了展望。


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