低維量子體系中的電子自旋輸運與拓撲相變研究

《低維量子體系中的電子自旋輸運與拓撲相變研究》是依託湖北大學，由周斌擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：低維量子體系中的電子自旋輸運與拓撲相變研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：周斌
• 依託單位：湖北大學

項目摘要

半導體材料中自旋自由度的調控與輸運是目前自旋電子學研究領域中在理論與實驗上都倍受關注的熱點方向。本項目將關注受限半導體量子體系中基於自旋軌道耦合效應的電子自旋輸運與拓撲相變現象，重點研究實驗參數對空穴型稀磁半導體量子阱中反常霍爾電導的調製效應、內稟自旋霍爾效應中的拓撲量子相變以及量子自旋霍爾效應中邊界態的拓撲性質。利用格林函式方法探討雜質散射效應對電子自旋輸運中拓撲量子相變的影響。通過研究探索電子自旋輸運的拓撲起源，深入了解受限半導體材料中自旋本身的物理規律與性質，促進自旋量子理論的發展，同時為新型半導體自旋電子學器件的設計提供理論依據。

結題摘要

在半導體中利用和控制電子的自旋自由度，成功地實現在半導體材料中的自旋注入和自旋輸運，將是新一代電子器件的套用基礎。本項目研究低維受限半導體量子體系中基於自旋軌道耦合效應的電子自旋輸運與拓撲相變。通過研究深入了解受限半導體材料中自旋本身的物理規律與性質，為以自旋電子學為基礎的新一代半導體器件的設計提供一定的理論依據。本項目取得以下研究成果：（１）我們利用久保公式和格林函式方法研究了具有Dresselhaus自旋軌道耦合的二維稀磁半導體量子阱中內稟反常霍耳效應，基於具有Dresselhaus自旋軌道耦合的GaSb量子阱實驗參數計算出內稟反常霍耳電導率。研究發現，當二維稀磁半導體量子阱中兩個子帶都被部分占據時，由於存在Dresselhaus自旋軌道耦合中的立方項，即使在弱雜質散射情況下，內稟反常霍耳電導率並不為零，而且它的絕對值隨著費米能的升高或量子阱厚度的增大而增加；（２）我們理論研究了具有自旋軌道耦合效應的半導體量子阱中磁致光電流效應與光致純自旋流效應。利用密度矩陣公式，我們計算了光激發載流子密度、電流密度和自旋流密度。我們的理論對光電流與磁場方向和入射光極化方向的關係給出了清晰的物理圖象。我們的研究也為自旋流的測量提供了一個新的方法；（３）我們理論研究了p波超導體中Majorana費米子邊界態的拓撲量子相變行為。我們解析計算給出了足夠寬的p波超導體條狀樣品中局域在樣品邊界的Majorana邊界態模式。我們利用Z2拓撲數的計算給出了準一維p波超導體Majorana端點態存在的相圖。研究發現準一維p波超導體中隨著樣品寬度的變化樣品發生振盪性的拓撲量子相變行為；（４）我們理論研究了半導體異質結構中自旋相關的電子隧穿效應，得到與自旋相關的共振峰。研究結果可以用來實現可控電子自旋過濾器的設計；（５）我們研究了具有Dzyaloshinski-Moriya相互作用的多量子比特海森堡自旋鏈模型中熱糾纏性質。本項目研究成果公開發表學術論文8篇，其中SCI收錄論文6篇，有3篇論文發表在《物理評論Ｂ》上。