硅烯中自旋输运和泵流研究

论文摘要

在过去的几十年里,量子力学不断发展对量子系统的理解变得更为深刻。确切地说,人们已经认识到,即使量子系统中没有电位差异,只要量子系统的参数随时间周期性变化,就有可能产生非零电荷电流或平衡电流。这就是量子泵效应。由于量子泵效应的发现,使得量子泵与其他令人着迷的现象,如持续电流和超导电性,有一些相似物理原理吸引人们的关注。量子泵根本上探索了不同相互作用下的运输对称性问题。本论文的研究目标是找到一个量化电荷泵,在泵送周期中,泵出一个整数电荷,流经整个量子系统。在此基础上实现不同的自由度泵浦效应。它可以在量子测量上有革命性的应用,而且这种与拓扑相关的量子化泵浦与整数量子霍尔效应相对应。我们提出了基于单层硅烯系统中传统泵协议下的量化泵模型。结果表明:两个有相位滞后的含时泵浦势,可以产生量化电荷泵效应,其中的关键点是引入的两个势场之间可以产生拓扑界面态。首先,我们研究了基于硅烯泵浦装置来产生自旋电流。泵浦势场电位来自垂直电场,导致硅烯中交错电势的产生,磁化假定由磁近效应引起的。在低能连续模型的分析基础上,并根据绝热泵送理论,我们发现系统可以产生自旋相关的泵浦电流,并且它是量子化的。此外,还可以获得纯自旋电流和完全自旋极化电流,其物理原因是磁化可以导致不同的自旋的电子动力学相位发生变化,从而修正了泵浦相位。这些发现在自旋电子学领域相当用途。其次,我们研究了一种可行的泵浦输运方案来实现可能谷自由度的泵浦效应,即通过交错电势场和晶格弹性畸变在硅基上实现相关泵浦电流。由于单层硅烯是一个二维系统,具有显著的延展性,在线性畸变下,应变力场会引起的相反赝矢量在K和K′的谷之间产生pi的相移。所以两个谷的电流是方向相反的,即获得一个纯谷泵浦电流流出系统。而且,我们研究表明,这个谷流同样非常依赖于系统的一些参数,如泵浦相位,费米能量,甚至设备尺寸。最后,我们研究了两个泵浦势场均来自晶格畸变,同样我们发现系统可以产生量子化的泵浦流。另外在单层硅烯中也考虑仅由磁化强度含时变化,我们同样可以获得可能的自旋-谷耦合的泵浦流,但是这里它们不是量子化,原因在于磁化没有打开能隙。总结,我们证明了不同自由度可以通过影响输运电子的动力学相位或者泵浦相位,从而实现谷流或者自旋流的量子化泵浦效应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 Introduction
•   1.1 Graphene electronic structure
•   1.2 Silicene and electronic structure
•   1.3 Quantum charge pump
•     1.3.1 General quantum parametric pump
•     1.3.2 Quantized quantum parametric pump
•     1.3.3 Strong Coulomb electron-interaction quantum
•     1.3.4 Thouless topological quantum pump
•   1.4 Spintronic
•   1.5 Valleytronic
• 第二章 Theoretical methods
•   2.1 General pump model
•     2.1.1 Quantum pump effect
•   2.2 Scattering Theory
•     2.2.1 Scattering matrix and its properties
•     2.2.2 Unitarity
•     2.2.3 Micro-reversibility
•   2.3 Examples on scattering matrix
•     2.3.1 Scattering matrix 1 ×1
•     2.3.2 Scattering matrix 2 ×2
•   2.4 BPT Formula
•   2.5 Origin of the nonzero pumped current
•     2.5.1 Interference mechanism of a dc current generation
• 第三章 Investigation On Spin-current pump in Silicene
•   3.1 Introduction
•   3.2 Model and Formula
•   3.3 Topological interface state
•   3.4 Results and Discussions
•   3.5 Conclusions
• 第四章 Generation of valley pump currents in Silicene
•   4.1 Introducation
•   4.2 Model and Formula
•   4.3 Results
•   4.4 Wannier center in Lattice model
•   4.5 Conclusions
• 第五章 Valley-spin coupled pumping
•   5.1 Introducation
•   5.2 Model and Hamiltonian
•   5.3 Results
•   5.4 Discussions
•   5.5 Spin-valley coupled pump current
•   5.6 Model and Hamiltonian
•   5.7 Results
•   5.8 Discussions and Conclusions
• 第六章 Conclusions
•   6.1 Conclusions
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 托姆（John Tombe Jada Marcellino）

导师: 汪军

关键词: 硅烯,量子输运,自旋流,能谷流,电荷泵

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 东南大学

基金: 国家留学基金委资助(2014DFHJ17,201908320001),国家自然科学基金面上项目(11274059,11574045)

分类号: O413.1

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.003966

总页数: 101

文件大小: 2928k

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