單分子磁體的輸運電流噪聲特性研究

《單分子磁體的輸運電流噪聲特性研究》是依託太原理工大學，由薛海斌擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：單分子磁體的輸運電流噪聲特性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：薛海斌
• 依託單位：太原理工大學

項目摘要

鑒於單分子磁體在分子自旋電子學和電子信息技術領域的套用，其量子輸運在實驗和理論上引起人們的廣泛關注，但相關研究主要集中在平均電流上。另一方面，從基礎研究和套用的角度來說，僅僅知道其電流特性是不夠的，尤其是在單分子磁體系統中電荷漲落對其量子輸運有重要影響，而電子全計數統計和有限頻率噪聲可以提供比平均電流和散粒噪聲更多的關於系統微觀機制的信息。本項目首先發展在共隧穿極限下的四階粒子數分辨量子主方程，然後基於此方法研究單分子磁體系統的庫侖相互作用、橫向各向異性、易軸與磁場的夾角、傳導電子與分子大自旋的耦合強度、外加門電壓、電極的不對稱耦合等對其前三階電流累積矩，即平均電流、散粒噪聲、偏斜度，以及有限頻率電流噪聲特性的影響。探索加強或抑制單分子磁體電流噪聲，特別是加強電流超泊松噪聲的可能方法，並揭示其內稟量子特性與高階電流累積矩和有限頻率噪聲之間的關係，為其在單分子量子器件方面的套用提供理論依據。

結題摘要

基於單分子磁體的分子自旋電子學是半導體微加工技術的終極目標之一。因此，理解單分子磁體結的量子輸運特性十分必要。特別是，無論從基礎研究還是套用角度來說，僅僅知道其電流特性是不夠的，尤其是在單分子磁體系統中電荷漲落對其量子輸運有重要影響，而電子全計數統計和有限頻率噪聲可以提供比平均電流和散粒噪聲更多的關於電子輸運的微觀機制信息。 在本項目中，首先分別在順序隧穿極限和共隧穿極限下，建立了計算單分子體系電子全計數統計和有限頻率噪聲的非馬爾科夫粒子數分辨量子主方程；並基於此方法，研究了單分子磁體和耦合量子點體系的電子全計數統計和有限頻率噪聲特性。主要結果如下： (1)當單分子磁體與一個金屬一個鐵磁電極或與兩個鐵磁電極弱耦合時，負微分電導和電流的超泊松電流噪聲可由外加的門電壓調節，並且該特性敏感地依賴於源極和漏極的自旋極化率。但是，在負微分電導區域內，散粒噪聲是否加強依賴於相應負微分電導的形成機制。 (2)當單分子磁體與兩個鐵磁電極弱耦合時，在順序隧穿區域內，快速自旋弛豫可以壓制其隧穿磁電阻；而在共隧穿區域內，其隧穿磁電阻將從一個大的正值轉變到一個小的負值。 (3)通過對耦合量子點體系的研究，發現單分子體系的電流高階累積矩敏感地依賴於其量子相干性，並且其非馬爾科夫效應主要通過其量子相干性體現。這些特性可以用來定向獲取系統的量子相干性信息和量子點背景原子形成的核磁場的大小和方向。 (4)單分子體系的有限頻率散粒噪聲可以獲取其內部信息。例如，單分子磁體自旋態的翻轉時間聯繫到其有限頻率噪聲特性；耦合量子點體系的自旋軌道耦合常數可以從其有限頻率噪聲譜提取；並聯耦合量子點體系封閉的量子磁通可以通過其有限頻率噪聲譜觀察。 上述預測的單分子磁體和耦合量子點體系的輸運電流噪聲特性，對於深入理解其電子輸運過程非常有用，可以為其在單分子量子器件方面的套用提供理論依據。