耦合量子点结构中的电子输运与量子相干效应

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本文采用非平衡态格林函数方法,对几种典型的耦合量子点结构的输运性质进行了较系统的理论研究,并得到了一些有意义的结果。本论文工作的基本物理思想如下:量子相干是主导介观电子输运性质的基本物理机制,而多量子点体系为电子隧穿提供了丰富的相干路径(即所谓的Feynman路径),研究多量子点体系的电子输运特性,必须揭示量子相干图像,这是贯穿于本论文工作始终的一条主线。本论文工作开展了如下理论研究。首先,我们研究任意两个量子点都可以与电极耦合的量子点链的线性电导和I-V特性。我们发现,在该量子点链结构中存在着一种导致电导谱零点的完全的“相消”相干,称之为反共振。关于反共振我们得到了如下研究结果:只有在任一电极外存在悬挂量子点时才出现反共振(即:电导零点),反共振在线性电导谱中的位置和悬挂量子点的本征能级相一致。反共振和量子点链与电极间耦合强度无关。在有限偏压下,反共振可引起I-V谱的台阶结构。此外,当考虑处于量子点上的电子存在相互作用时,我们发现反共振现象仍然存在。最后,利用共振和反共振这两种相反的量子相干现象,我们提出了基于该量子点链的器件设想。其次,对于如上提到的一维单量子点链,当其与两电极首尾相连时由于没有所谓的悬挂量子点则不会出现反共振;然而,在量子点链和两电极耦合变得足够强时,电导的共振峰结构就会消失,体系的线性电导谱的峰发生在N ? 1或N ? 2个量子点链的本征能级处。并且随着量子点与电极耦合强度的增强,这一图象变得越来越清晰,就好像外围的量子点不存在一样。我们从理论上将最外端的量子点和与其相连的电极等效成一个新的电极,发现该电极和量子点链重整化的耦合系数随原始的量子点-电极耦合系数增强而快速减弱,从而对强耦合情况下的线性电导谱给出了物理上的解释。然后,我们关注多量子点体系中的真实量子点能级和近藤能级之间的量子相干现象。我们考虑一个和两电极串联的三量子点链结构,让中间量子点处于近藤区,而两个边缘量子点处于混价区,中间量子点提供的近藤能级与边缘量子点提供的真实单电子能级混合起来,形成各种Feynman路径。我们采用slave-boson平均场近似方法来处理中间量子点的近藤效应,得到了如下理论结果:将近藤能级和其它两个量子点的单电子能级形成的本征“分子”能级与该结构电导谱的共振峰相比较,发现二者符合的很好。另外,我们还发现近藤量子点的局域态密度峰随着耦合强度的增强而变窄,这与近藤量子点与电极直接耦合时的结果恰恰相反。最后,我们研究了两近藤能级之间的量子相干效应。为此,我们考虑一个和两电极耦合的单量子点,该量子点处于近藤区,同时我们引入了另一个量子点,悬挂于一个电极的侧向,该量子点亦可处于近藤区,此时两量子点的近藤能级之间将发生量子相干,从而影响该结构的电子输运特性。另外,该模型可以描述电极中存在磁性杂质时电子通过量子点的输运特性(侧向悬挂的量子点可视为电极内的磁性杂质)。当存在悬挂量子点时,由于两近藤能级之间的量子相干,电导谱中的近藤峰被反共振的电导零点取代。这种对近藤峰的抑制与RKKY相互作用的效果相同。对这种两个近藤能级之间的“相消”相干效应,我们采用Feynman路径展开技术给出了清晰的物理图像。该理论结果可以合理地解释最近关于近藤峰淬灭的实验结果。
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