介觀(guān)干涉儀中的量子輸運(yùn).pdf

1、介觀(guān)體系這一概念是人們?cè)谘芯磕蹜B(tài)物理時(shí)從無(wú)序系統(tǒng)中逐漸形成的。由于介觀(guān)系統(tǒng)所具有的獨(dú)特量子行為，使得以量子理論為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體介觀(guān)電子學(xué)成為凝聚態(tài)物理及半導(dǎo)體材料物理等領(lǐng)域的研究前沿之一。當(dāng)前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和微加工技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)能夠制備出尺寸能夠達(dá)到介觀(guān)尺寸的量子器件。因此，對(duì)介觀(guān)系統(tǒng)中的電子輸運(yùn)的研究不論從理論上還是從實(shí)驗(yàn)上都引起了物理學(xué)家們的極大興趣。另外，量子相干現(xiàn)象已在各種介觀(guān)器件的電子輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)中觀(guān)測(cè)到。Aharo

2、nov-Bohm(AB)效應(yīng)展示的介觀(guān)環(huán)結(jié)構(gòu)中量子相干現(xiàn)象就是一個(gè)典型的實(shí)例。當(dāng)外加磁場(chǎng)改變時(shí)，電子通過(guò)兩條路徑所產(chǎn)生的量子干涉效應(yīng)將引起量子平行電阻中的電導(dǎo)振蕩。對(duì)于一個(gè)孤立的介觀(guān)環(huán)，磁通可以在環(huán)內(nèi)產(chǎn)生沿著環(huán)路流動(dòng)的電流，這種電流被稱(chēng)作持續(xù)流。1995年，Javarnnar和Deo等人在研究開(kāi)放介觀(guān)環(huán)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在無(wú)磁場(chǎng)的情況下介觀(guān)環(huán)里也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)沿著環(huán)路循環(huán)的電流。而且只要在環(huán)兩端施加的偏壓不變，這個(gè)電流就是無(wú)耗散的，會(huì)一直存在。

3、這就打破了以前人們認(rèn)為的只有在有磁場(chǎng)存在的情況下環(huán)路中才會(huì)出現(xiàn)循環(huán)電流的觀(guān)念。剛開(kāi)始人們把這個(gè)電流也叫做持續(xù)流。但是隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)這個(gè)電流和前面的持續(xù)流截然不同。直到現(xiàn)在，人們對(duì)持續(xù)流和循環(huán)流的性質(zhì)和物理起源仍然不是很了解。
　　本論文主要是研究介觀(guān)干涉器件中的量子輸運(yùn)現(xiàn)象。特別是對(duì)介觀(guān)環(huán)中的持續(xù)流和循環(huán)流的本質(zhì)做了進(jìn)一步的比較。具體將研究 Buttiker和Jayannavar-Deo圖像中的持續(xù)流定義引起的差別，

4、以及介觀(guān)干涉儀中由不同的物理根源引起的持續(xù)流定義。實(shí)際上，對(duì)于存在A(yíng)B磁通的電子輸運(yùn)，Onsager關(guān)系要求輸運(yùn)電流必須是AB磁通的偶函數(shù)。由這個(gè)必要條件，我們預(yù)言這兩個(gè)不同的電流公式有不同的物理起源。而其中的一個(gè)是基于局域電流的量子干涉性所引起的循環(huán)流。
　　在第二章中，為利用上述結(jié)論來(lái)研究量子器件中的量子輸運(yùn)現(xiàn)象，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)不存在外磁場(chǎng)存在情況下的理想的兩端口環(huán)路介觀(guān)干涉儀（介觀(guān)環(huán)）。我們回答了電子透射中Fano反共振點(diǎn)是

5、否是出現(xiàn)循環(huán)流的必要條件的問(wèn)題。同時(shí)，我們總結(jié)出了一個(gè)普適的兩端口介觀(guān)環(huán)中循環(huán)流的定義式。此定義式區(qū)分了Buttiker定義式中經(jīng)典循環(huán)流和量子循環(huán)流混淆的部分，完全拋開(kāi)了其經(jīng)典的一面。從根源上闡明了其具有的普適性。我們發(fā)現(xiàn)即使在介觀(guān)環(huán)的上下兩臂長(zhǎng)相等而量子干涉發(fā)生在傳播波和衰減波之間的時(shí)候，在透射系數(shù)不為點(diǎn)（Fano反共振點(diǎn)）的時(shí)候仍然會(huì)出現(xiàn)一個(gè)循環(huán)流。由此可以看出循環(huán)流不僅僅在上下臂長(zhǎng)不相等的時(shí)候才會(huì)出現(xiàn)。這就打破了以往人們對(duì)循環(huán)流

6、的普遍認(rèn)識(shí)。當(dāng)介觀(guān)環(huán)上下臂長(zhǎng)的不對(duì)稱(chēng)性一直增加到某一臨界值的時(shí)候，第一個(gè)Fano反共振點(diǎn)才會(huì)出現(xiàn)，而且Fano反共振點(diǎn)附近有循環(huán)流的存在。簡(jiǎn)言之，本章的研究證明在兩端口的介觀(guān)干涉儀中Fano反共振點(diǎn)并不是循環(huán)流產(chǎn)生的必要條件。
　　在第三章中，我們進(jìn)一步研究了當(dāng)兩端口的介觀(guān)環(huán)的其中一端連接一個(gè)超導(dǎo)體的情形。我們主要關(guān)注于電子在此介觀(guān)干涉儀中由于超導(dǎo)體相關(guān)性和Fano干涉效應(yīng)的共同作用下所產(chǎn)生的一系列量子輸運(yùn)現(xiàn)象。我們發(fā)現(xiàn)由于超導(dǎo)體

7、相關(guān)性和量子干涉效應(yīng)，在準(zhǔn)粒子激發(fā)能為零的時(shí)候，介觀(guān)干涉儀中的量子輸運(yùn)產(chǎn)生了所謂的Fano-Andreev反共振現(xiàn)象。在準(zhǔn)粒子激發(fā)能為有限值的時(shí)候，每一個(gè)Fano-Andreev反共振點(diǎn)都會(huì)被劈裂成兩個(gè)。在這些劈裂的Fano-Andreev反共振點(diǎn)上，包括輸運(yùn)電流和循環(huán)流在內(nèi)的所有電流都會(huì)消失。但是對(duì)于較高的超過(guò)超導(dǎo)能隙的激發(fā)能量，準(zhǔn)粒子會(huì)直接透射進(jìn)超導(dǎo)體，從而破壞處于較高能量那個(gè)Fano-Andreev反共振點(diǎn)。在Fano-Andre

8、ev反共振能量附近，由于干涉儀中上下臂長(zhǎng)不對(duì)稱(chēng)所引起的量子干涉形成的循環(huán)流在復(fù)能量空間上出現(xiàn)了兩種類(lèi)型的反共振結(jié)構(gòu)。循環(huán)流的大小和方向在很大程度上依賴(lài)于超導(dǎo)相關(guān)性。在遠(yuǎn)離Fano-Andreev反共振點(diǎn)的地方，我們發(fā)現(xiàn)在特定的費(fèi)米能區(qū)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)只有電子型準(zhǔn)粒子循環(huán)流或空穴型準(zhǔn)粒子循環(huán)流的情形。因此，只有空穴型準(zhǔn)粒子循環(huán)流存在的現(xiàn)象也可以作為一種用來(lái)實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證 Andreev空穴準(zhǔn)粒子存在的方法。另外，我們也討論了超導(dǎo)體界面上的界面勢(shì)效應(yīng)

9、對(duì)輸運(yùn)電流和循環(huán)流的影響。我們發(fā)現(xiàn)被純凈超導(dǎo)界面的電流幅值所歸一化的輸運(yùn)電流和循環(huán)流有著同樣的電流行為，并且它們顯示出同樣的()I Z Z-電流曲線(xiàn)。這就意味著超導(dǎo)界面勢(shì)對(duì)輸運(yùn)電流和循環(huán)流的影響是相同的。這個(gè)普適的歸一化電流隨著界面勢(shì)的變化遵循著三種不同的電流特征行為類(lèi)型。我們也討論到了Fano-Andreev反共振能量附近三種不同的電流特征行為類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)變行為，并且給出了一個(gè)電流行為轉(zhuǎn)變圖。我們觀(guān)察到此介觀(guān)干涉儀中的一種準(zhǔn)振蕩行為的