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近二十年来,介观系统中电子的相干输运吸引了许多学者的研究兴趣。量子环和量子点是观测分立能谱和量子干涉的原型系统。在通有磁通的孤立环中出现了AB干涉,而开放的环系统可用做干涉器,用于观测量子点处在库仑阻塞时电子透射的相位等现象。本文采用Landauet—Büttiker的散射理论和非平衡态格林函数理论,对嵌有量子点的量子环中电子输运性质进行了理论研究。主要包括以下内容:
在第一章中,我们介绍了介观物理中的几个基本概念和量子效应,为本文的研究奠定了基础。
在第二章中详细介绍了Landauer—Büttiker的散射理论和非平衡态格林函数理论,分别导出了单电子图象的唯象电导公式和用来求解通过散射区的直流电流公式。接下来的两章中分别运用本章所介绍的输运理论对具体介观系统的电子输运性质作了研究。
在第三章中,我们采用Landauer—Büttiker散射理论研究了嵌有一个量子点金属环中持续流和透射特性。我们在前面一部分中不考虑量子点内退相干情况。研究结果表明:只要与环相连接的两个电子库化学势不同,即使在环内不加磁通,环内仍然会出现持续流。这种持续电流是一个纯粹的量子效应,并能无耗散地维持下去。持续流和透射几率的大小可以由环线之间的耦合和短程势来控制。当环线之间的耦合或短程势的强度增大时,持续流都会大大地受抑制,透射几率的共振会变宽。在某些能量范围内,透射峰的数目的多少可以用短程势参数来调节。当有磁通穿过环中心时,持续流和透射几率都是磁通的周期函数,且周期为Φ0(磁通量子)。如果量子点内有退相干过程,这时相干电导(2e2/hT21)在有磁通时Onsager对称关系不满足。只有考虑了从相位破缺的电子库里重新把电子注入到系统的总电导,即相干电导和非相干电导的总和,Onsager对称关系才成立。我们发现在有退相干过程,持续流和电导仍然是磁通的周期函数,周期仍为Φ0。研究表明电导的可见度和最大持续流都随相干率的增大而做指数衰减。这意味着AB振荡随相干率的增大很快地衰减。在第四章中,我们用非平衡态格林函数理论研究嵌有两个量子点三臂环的自旋输运性质。我们发现Fano线形是由四个共振峰组成的,这四个共振峰形成两对,分别由两个尖谷隔开。量子点内的Rashba自旋轨道相互作用和加在环里的磁通可以调制电导谱的Fano线形;在Rashba自旋轨道相互作用和加在环里的磁通的共同作用下电导出现了极化;电导极化率的大小和极化方向在实验上是可以用系统参数—磁通、Rashba自旋轨道耦合强度以及栅极电压来调控。我们还发现,当系统的参数调到某个值时,电导可以达到完全极化。因此,我们所设计的模型在一定程度上体现了自旋过滤器的性质。
在本文的最后一章中,我们对所研究的内容简单做了一个总结和展望。