低维量子体系输运中的动力学和热电性质研究

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低维体系由于其特有的低维特性,往往具有区别于三维块材的独特性质。对于分子器件,量子点、分子导线线等低维结构是主要的元器件。本文使用非平衡格林函数方法研究了两个典型低维体系的输运性质:双链DNA分子和金属-量子点-磁性绝缘体异质结。对于DNA分子,研究了分子动力学和电荷输运之间的相互作用,以及量子相干对其热电输运性质的影响。对于量子点异质结,较系统的研究了它的热自旋输运机理以及对热自旋流的调控方法。基于DNA的分子器件和热自旋电子学是重要的两个研究方向,我们的结果对相关实验和器件设计有参考和借鉴意义。  当某个体系偏离平衡态而随时间演化时,反映体系性质的物理量也会随着时间变化,非平衡格态林函数方法是计算这些含时物理量的一种重要方法。当没有外场或偏压等非平衡因素时,非平衡格林函数退化为平衡态格林函数方法,所以非平衡格林函数方法可以被认为是格林函数方法的一般形式。由于有像Dyson方程、Wick定理等系统的方法来处理格林函数的计算,以及很多近似和数值方法也都基于格林函数,使用格林函数方法来进行计算往往会比较方便,也具有较强的适用性。  文章第一章为绪论,首先简述了DNA输运性质和热自旋电子学的研究背景和现状。在简单介绍了非平衡格林函数涉及的基本定义等背景知识后,说明了如何用格林函数方法处理一类动力学问题,接着对用来处理强关联体系的隶玻色子方法和非交叉近似做了简要介绍。绪论的最后简述了研究的动机和内容。  由于DNA分子的碱基间存在π键,这使其能够导通电流。与此同时,碱基间的氢键和π键都是相对较弱的成键作用,这意味着DNA的动力学强度比较小,也就是说其形态和结构容易受到外力的影响。第二章使用格林函数方法研究了DNA分子在两端加上偏压时的动力学,以及动力学对DNA导电性能的影响。发现电流的动力学效应能够很显著地导致碱基对的分离。通过电声相互作用,被打开的碱基对会抑制电荷的输运,从而出现负微分电阻等现象。  在接下来的第三章,设计了一个实验方案来验证DNA中的负微分电阻是否由电流的动力学效应引起,并理论计算了方案的可行性。由于DNA分子动力学影响其导电性质,不同环境对DNA分子动力学的作用会导致不同的导电特性,电荷输运与动力学之间的相互作用为解释实验上观察到的DNA多变的导电性质提供了一个新角度。  从第四章开始,研究温差导致的输运现象。由于DNA的双链结构以及π键堆叠导电通道,电荷的输运中可以出现Fano和Dicke效应这两种由量子相干导致的现象。我们的计算表明,通过调节电子在位能和交叠积分等能量的大小,DNA或有类似结构分子的热电性能可以都到明显的提升,对这些参数的调节可通过环境涨落等方式来实现。  在第五章中,研究了另一种低维体系的热自旋输运—由金属、量子点和磁性绝缘体构成的异质结中的自旋Seebeck效应。推导了热自旋流的格林函数公式,以及其在隶玻色子表示下的表达式,然后使用非交叉近似计算了热自旋流。这种异质结允许通过门电压来调节自旋流的大小,从而提供了一种不需要改变温度梯度的调控方式。此外,研究了库伦相互作用对热自旋流的影响,并发现强度合适的库伦作用能显著的增大自旋流的可调范围。  在正文的最后部分,总结了文章的主要内容和创新点,并对相关问题的后续研究进行了展望。
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