随着纳米技术的发展,介观物理系统中的含时电子输运受到了人们广泛的关注。特别是在量子泵浦系统中,量子化的电荷泵浦效应对量子测量学（quantum metrology）有着决定性意义。最早提出拓扑量子泵浦概念的是Thouless,他发现一维移动的周期势场可泵浦出整数电荷。自此以后,人们便在各个可能的量子系统中寻找更简单更稳健的可测量量子泵浦系统。本论文主要以石墨烯系统的狄拉克电子为基底,研究可能的电荷和自旋量子泵浦效应,并揭示其内在物理机制,为设计和实现具有优良性能的电子泵浦器件提供物理模型和理论依据。我们主要在传统的双参数量子泵模型基础上,利用非平衡态格林函数和散射矩阵方法,系统的研究了石墨烯单多层系统及拓扑绝缘体螺旋边界态上的量子化泵浦效应。论文第一和第二章介绍了基本研究背景和物理方法,在第三章中,我们研究了单层石墨烯中的含时晶格形变泵浦势导致的量子化电荷泵效应;在第四章中,我们讨论了单多层石墨烯中,含时交错势导致的拓扑电荷泵效应;在第五章中,我们研究了利用拓扑边界态形成可能的拓扑自旋泵浦效应;在最后一章中,我们介绍了同样基于拓扑边界态的反常自旋约瑟夫森效应。在单层石墨烯系统中,以两个线性应力导致的含时晶格形变势作为泵浦势场,我们研究发现如果电子输运方向垂直于应力方向,系统在一个泵浦周期,可以产生两个整数电荷流出系统,形成量子化泵浦效应。进一步研究发现,泵浦参数相位差可以导致两个泵浦势场间的拓扑界面态形成,其周期含时演化导致了整数电荷的泵出。另外,泵浦电流由于量子化严重地偏离原先一般量子参数泵理论下的电流与相位差的正弦函数关系。在单层石墨烯和多层石墨烯系统中,我们考虑了由两个外加含时电场导致的交错势场作为泵浦参数,并计算相应的泵浦电流,通过比较我们发现,单层和三层石墨烯的狄拉克电子体系可以泵浦出量子化的电流,相反,双层石墨烯完全没有泵浦出电流。这表明,在决定体系是否形成量子化泵浦效应,除了泵浦势导致局域拓扑相变以及两泵浦势之间形成可能拓扑界面态是重要的之外,电子具有π奇数倍的贝里相位同样也是决定性的因素。在第五章中,我们将上面的量子化两参数泵理论拓展到拓扑绝缘体的螺旋边界态上,引进两个含时磁化作为泵浦参数势场。我们发现系统不仅可以泵浦出量子化的自旋流,也可以泵浦出量子化自旋依赖或自旋完全极化的电荷流,并且这些电荷流或自旋流,可以由许多系统参数来调控,包括泵浦参数相位差、费米能、以及可以由外加门电压调控的电子动力学相位差。为获得量子化的自旋泵浦流,我们也提出了在上面的石墨烯量子泵浦系统中,引进磁化电子动量相位差的概念,实现泵浦电荷流的自旋极化,同样实现各种的可能自旋流。在最后一章中,我们基于拓扑绝缘体的螺旋边界态实现可能的反常自旋约瑟夫森效应,通过引进两个静态磁化场,实现相应的自旋超导体,当两个磁化方向不一致的时候,我们证明系统存在自旋超流,其流-相位关系满足传统的φ0超导结的相位关系,这归结于螺旋边界态电子具有明确的手征性,研究进一步表明具有手征性的狄拉克电子的磁耦合与传统材料中的电子磁耦合并不相同。本论文的主要结论是:我们提出了在传统两参数量子泵系统中,完美实现量子化电荷和自旋泵浦流方案。一是两个含时的泵浦势可以打开局域系统能隙,形成拓扑相并且可以产生实空间的拓扑界面态,二是系统的电子必须具有π奇数倍的贝里相位。