介觀干涉儀中的量子輸運(yùn).pdf

1、介觀體系這一概念是人們?cè)谘芯磕蹜B(tài)物理時(shí)從無序系統(tǒng)中逐漸形成的。由于介觀系統(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)到介觀尺寸的量子器件。因此，對(duì)介觀系統(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)象已在各種介觀器件的電子輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)中觀測到。Aharo

2、nov-Bohm(AB)效應(yīng)展示的介觀環(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)外加磁場改變時(shí)，電子通過兩條路徑所產(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，這種電流被稱作持續(xù)流。1995年，Javarnnar和Deo等人在研究開放介觀環(huán)的過程中發(fā)現(xiàn)，在無磁場的情況下介觀環(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)為的只有在有磁場存在的情況下環(huán)路中才會(huì)出現(xiàn)循環(huán)電流的觀念。剛開始人們把這個(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干涉器件中的量子輸運(yùn)現(xiàn)象。特別是對(duì)介觀環(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AB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)不存在外磁場存在情況下的理想的兩端口環(huán)路介觀干涉儀（介觀環(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)流的必要條件的問題。同時(shí)，我們總結(jié)出了一個(gè)普適的兩端口介觀環(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)即使在介觀環(huán)的上下兩臂長相等而量子干涉發(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)介觀環(huán)上下臂長的不對(duì)稱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。簡言之，本章的研究證明在兩端口的介觀干涉儀中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不對(duì)稱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。這就意味著超導(dǎo)界面勢對(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的變化遵循著三種不同的電流特征行為類型。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。我們觀察到此介觀干涉儀中的一種準(zhǔn)振蕩行為的