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量子输运性质是凝聚态物理学中重要的研究方向之一。近年来,随着信息技术对超小尺寸电子器件的不断需求以及微纳加工技术的飞速发展,纳米结构中的量子输运性质倍受人们的关注。本论文从以下几个方面研究纳米结构中的空间对称性和量子输运性质。
第一,我们发现了金属纳米线中空间对称性诱导的电子共振透射。在该研究中,我们首先构造对称型金属纳米线,然后在紧束缚近似下运用转移矩阵的方法研究了此系统中的电子输运性质。研究表明,纳米线中形成能带结构,电子带隙中出现多个全透射峰,并且在带隙中的全透射峰表现出了与结构有关的丰富的特性。具体来说,当改变结构参数时我们可以控制共振能量点的位置和共振透射的模数,并且全透射峰的品质因子可以通过改变参数而呈指数式增加。电子的共振透射来源于金属纳米线中的空间关联。该项工作提供了一种控制纳米电子器件中电子输运的独特方法。
第二,我们对几种介观环中磁通诱导的持续电流作了系统的研究。首先,我们在紧束缚近似下研究了random n-mer介观环中持续电流的性质。结果表明,电子在这个系统中发生多重局域一退局域转变。这个性质对持续电流有很大的影响。如果费米能级在系统共振能量附近,对应的电子态是扩展的,总持续电流与自由电子的情形相比几乎没有减小。相反地,如果费米能级偏离了共振能量,电子最高占据态是局域的或者处于扩展态与局域态之间,则持续电流会由于杂质散射急剧降低。其次,我们研究了对称型介观环中的电子能谱、电子波函数以及持续电流的性质。研究表明,系统中持续电流与磁通、在位能以及费米能级的大小都有密切的关系,特别是当改变费米能级时,该介观环会出现反常大和异常小持续电流之间有规律的转变。这些工作为解释实验中观察到的反常大持续电流提供了合理的理论模型,并且有可能用于量子开关器件的设计。
第三,我们提出并研究了铁磁金属/半导体级联异质结中自旋相关的电子输运。在Landauer弹道输运的框架下,我们研究了该系统中自旋相关的电子透射率以及自旋极化。结果表明,自旋向上和自旋向下的电子关于Rashba自旋一轨道波矢形成了自旋相关的带结构。在一些波矢处,自旋向上电子的能隙对应于自旋向下电子的能带。而在其它波矢处,自旋向上电子的能带与自旋向下电子的能带重合。从而,在这个系统中出现了高度的自旋极化。另外,当我们有意改变中间铁磁层的磁化方向时,在带隙中分别出现了自旋向上和自旋向下电子的共振透射。在共振波矢处,自旋极化发生反转。该工作为研制自旋滤波和自旋开关等器件开拓了思路。
第四,我们将对称性引入铁磁金属/半导体级联异质结系统,研究了该对称系统中自旋相关的共振透射和反向磁电阻效应。研究表明,电子的透射系数关于Rashba自旋-轨道波矢形成了自旋相关的带结构。对于自旋向上的电子(或自旋向下的电子),带隙中分别出现了多个全透射峰,并且共振波矢和共振透射的模数表现出了与结构有关的丰富的特性。具体来说,当改变结构参数时我们可以控制共振能量点的位置和共振透射的模数。在共振波矢处出现了高度的自旋极化,并且得到了完全自旋极化的电导。另外,在这个系统中出现了反向磁电阻效应,这意味着反平行磁结构时的电导大于平行磁结构时的电导。该工作在新型自旋量子器件的研制方面有潜在的应用前景。
通过以上几个方面的研究,我们揭示了几种纳米结构中的量子输运性质,发现了金属纳米线中由于结构的空间对称性而导致的电子共振透射现象;揭示了具有关联特征的无序型介观环以及对称型金属介观环中磁通诱导的持续电流所表现出的丰富特性,为实验上观察到的反常大持续电流提供了合理的理论解释:发现了铁磁金属/半导体级联异质结中自旋相关的带结构,并且通过引入对称性得到了自旋相关的共振透射以及反向磁电阻等效应。这些研究结果为发展新型高性能的纳米材料以及新型自旋量子器件提供了理论依据,为实现量子调控开拓了思路。