电子自旋交换耦合双量子点系统的热流研究.pdf

目录

摘要I

ABSTRACTIII

第一章绪论1

1.1介观体系1

1.2量子输运1

1.2.1量子点1

1.2.2量子点系统的输运3

1.3自旋电子学4

1.4本文概述5

第二章量子主方程方法7

2.1基于T-矩阵的费米黄金规则7

2.2量子点系统模型和隧穿跃迁率8

2.3量子主方程、稳态热流和电流10

第三章温度偏压下自旋交换耦合双量子点体系的热流12

3.1引言12

3.2理论模型与方法12

3.3结果与讨论14

3.3.1铁磁和金属电极构型15

3.3.2平行铁磁电极构型19

3.3.3反平行铁磁电极构型22

3.3.4热流隧穿磁阻效应24

3.4结论25

第四章三端自旋交换耦合双量子点系统的自旋极化热流27

4.1引言27

4.2理论模型与方法27

4.3结果与讨论30

4.3.1双端电极为平行铁磁构型30

4.3.2双端电极为反平行铁磁构型34

4.3.3双端电极为铁磁和金属构型37

4.3.4热流隧穿磁阻效应43

4.4结论45

第五章总结与展望47

参考文献49

在学期间取得的科研成果55

致谢57

摘要

近年来，纳米体系的热输运及其操控受到大量的关注，这是由于其在量子

信息处理方面的潜在应用价值以及量子热力学研究的基础物理意义。量子点是

人工制备的高度可调纳米结构，人们已经发现其具有热整流、库仑交换作用导

致的温差热流、以及热流交换和分配等效应。特别是在基于自旋交换耦合作用

的双量子点体系，讨论了自主麦克斯韦妖和热力学第二定律方面的量子信息流

等基本问题。自旋调控是自旋电子学的核心问题，在本论文中，我们运用量子

主方程方法，主要研究了顺序隧穿区域下电子自旋交换作用对双量子点耦合铁

磁电极体系的自旋相关热流输运特性的影响。

首先，研究了两端自旋交换耦合双量子点体系的自旋极化热流及其隧穿磁

阻。在双量子点连接一个铁磁和一个金属的不对称体系中，发现热流会随着温

度偏压的增加达到一个平台，铁磁交换情形下的热流比反铁磁时更容易受到电

极的自旋极化率的影响。在双量子点耦合两个铁磁电极的体系中，铁磁电极平

行构型下，反铁磁交换的热流受电极极化率的影响较大；电极反平行构型下，

两种交换耦合的热流受自旋极化率的影响都较小。有趣的是，在反铁磁交换耦

合下，热流出现了负值隧穿磁阻效应。

随后，我们进一步探讨了三端自旋交换耦合双量子点体系的热流、电流随

偏压的变化行为。在电子交换作用为铁磁情况下，偏压较低时两电极量子点的

电流和热流出现阻塞现象，这是由于电极的电子费米能低于跃迁量子点多体态

之间的能量差。高偏压时，所有输运通道完全打开，电流到达一个平台，但是

热流随偏压增加呈线性增长行为。在两端量子点的铁磁电极为平行构型时，电

极自旋极化率对热流和电流的影响较小；在反平行构型时，极化率对输运的影

响较大。此外，热流隧穿磁阻随自旋极化率增大而递增，铁磁交换作用下的隧

穿磁阻在低偏压区域出现峰值，在高偏压区域逐渐增大变为平台，而反铁磁交

换作用下的隧穿磁阻随偏压增加呈递减趋势，最后也变为平台。这些结果可以

为设计基于量子点的热流器件提供理论依据，也有助于加深我们对量子热力学

方面的物理理解。

关键词双量子点；热流；自旋交换；量子主方程；隧穿磁阻

ABSTRACT

Inrecentyears,heattransportanditsmanipulationofnano-systemshave

receivedalotofattentionduetotheirpotentialapplicationsinquantuminformation

processingandfun