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量子输运性质是凝聚态物理学中一个非常重要的研究方向。近年来,随着微加工技术的迅速发展,纳米结构的制造技术曰益成熟,因此介观系统以及纳米结构中的量子效应备受人们的关注。介观环是介观系统中最早被研究的对象之一,而它与别的一些纳米结构组成的复合结构也是近年来人们研究的热点。本文就是利用紧束缚方法研究了量子点和介观环组成的复合结构的输运特性。
在第一章中,我们简要地介绍了论文所涉及的物理概念及其研究现状,包括介观系统和量子点的量子约束效应,库仑阻塞和Kondo效应等。
在第二章中,我们通过数值求解多体态的含时薛定谔方程研究了镶嵌有一个量子点的铁磁环的输运特性。我们假定系统中有两个自旋相反的电子,这是具有铁磁性系统的一种激发态。我们得到量子点上局域自旋的振荡图像并进行了深入的研究。研究表明,自旋振荡的振幅和频率与铁磁环上的交换场,量子点与环之间的耦合作用,量子点上的门压,以及库仑相互作用等均有密切的关系。由于铁磁环与量子点之间存在很高的势垒,系统的初始状态对点上自旋的振荡也有很大的影响。其次,研究发现量子点上的局域磁矩可以通过改变铁磁环上的交换场来进行调制。铁磁环中的交换场较大时有利于减小环上巡游电子对点上局域电子的屏蔽作用,自旋振荡的频率也会随着交换场的增大而增大。
在第三章中,我们利用等价单粒子多通道网格方法研究了镶嵌有一个量子点的超导环,并考虑了量子点上的库仑相互作用和超导一边对势的因素。通过数值求解多体态的含时薛定谔方程,我们得到了量子点上局域自旋和局域电荷随时间的演变过程,和超导环上对势取不同值时局域自旋随时间演化的不同情形,及在量子点和超导环之间的耦合强度取不同值时,量子点上自旋演化的不同情形。通过分析这样的演化过程,我们得知:局域自旋振荡的状况是超导环上的对势,量子点与环之间的耦合作用,量子点上的门压,以及库仑相互作用共同作用的结果。其中,对势和耦含强度的作用是比较重要的。我们还发现减小超导环上对势的大小会减小局域自旋受巡游电子屏蔽的可能性。也就是说与正常金属相比,超导环上巡游电子对局域自旋的屏蔽更为严重。
在第四章中,我们用磁控溅射方法在Si衬底上制备了一系列NiO、Ta、Co的薄膜与多层膜,利用掠入射X射线散射方法对不同生长顺序的薄膜研究了表面、界面结构与形态,确定了各层的沉积次序会影响各层的形态,尤其是SiO2层的厚度、质量密度等,对各层之间的界面粗糙度也产生很大影响。我们进而研究了自旋阀结构的多层膜的界面形态和粗糙度,这对于解释含NiO的Co/Cu/Co基自旋阀的磁电阻提升提供了结构依据。
总之,我们通过数值计算对以上两种结构进行了研究,主要是对其局域自旋随时间的演化过程进行了深入的研究,揭示了一维介观环与量子点组成的复合结构所表现出来的丰富的物理特性。尤其是包含铁磁、超导等这些特殊材料时,其物理特性更为明显。这些结果一方面为实验研究提供了理论依据,另一方面它们将在量子器件上具有一定的应用前景。