三維拓?fù)浣^緣體表面量子波導(dǎo)及輸運(yùn)性質(zhì)研究.pdf

1、拓?fù)浣^緣體是一種新奇量子物態(tài)，其體態(tài)是絕緣的，表面/邊緣卻是導(dǎo)電的，與普通絕緣體最大的不同在于需要引入拓?fù)洳蛔兞繉?duì)其進(jìn)行描述。拓?fù)浣^緣體雖然是最近幾年才被發(fā)現(xiàn)，但其奇特的物理性質(zhì)和在自旋電子學(xué)方面潛在的巨大應(yīng)用迅速引起了人們的廣泛關(guān)注。本學(xué)位論文旨在系統(tǒng)地探討三維拓?fù)浣^緣體表面構(gòu)造量子波導(dǎo)的方法并研究其輸運(yùn)性質(zhì)，全文共分五章。
　　第一章是緒論部分，我們簡(jiǎn)要介紹了拓?fù)浣^緣體的基本概念、自旋軌道耦合相互作用、量子自旋霍爾效應(yīng)、三維拓

2、撲絕緣體及表面態(tài)等基本概念。第二章中我們介紹了介觀(guān)輸運(yùn)基本理論及介觀(guān)輸運(yùn)研究中常用的Landauer-Büttiker公式和傳輸矩陣方法，本文后面的章節(jié)中主要使用的也是這些方法。
　　第三章中我們研究了三維拓?fù)浣^緣體表面電勢(shì)限制準(zhǔn)一維通道內(nèi)自旋極化矢量的分布。我們發(fā)現(xiàn)受限的表面態(tài)不再是無(wú)能隙的狄拉克費(fèi)米子，一個(gè)依賴(lài)于波導(dǎo)寬度的能隙被打開(kāi);考慮高階哈密頓的情況下，即使是均勻波導(dǎo)，自旋動(dòng)量鎖定也被打破了。緊接著，我們得到了線(xiàn)性項(xiàng)主導(dǎo)下

3、T形波導(dǎo)內(nèi)自旋極化矢量隨空間分布的表達(dá)式;解析表達(dá)式表明，在入射區(qū)和散射區(qū)由于左右行波的干涉，自旋動(dòng)量鎖定破缺了，但有趣的是透射區(qū)的自旋極化矢量基本分布在平面內(nèi)，而且大小方向基本一致，這意味著我們可以通過(guò)電勢(shì)限制的T形波導(dǎo)得到自旋幾乎完全極化的電子。
　　第四章本章中我們研究了三維拓?fù)浣^緣體表面磁限制量子波導(dǎo)的電子結(jié)構(gòu)和自旋極化矢量的空間分布。我們發(fā)現(xiàn)不管鐵磁條磁化方向是平行(P)或反平行(AP)的，波導(dǎo)內(nèi)束縛態(tài)總是存在，其色散關(guān)

4、系由超越方程決定。通過(guò)數(shù)值求解超越方程，我們發(fā)現(xiàn)由于量子限制效應(yīng)，P情形下一個(gè)依賴(lài)于波導(dǎo)寬度和鐵磁條交換場(chǎng)強(qiáng)度的能隙被打開(kāi)，而AP情形下由于拓?fù)涫终鲬B(tài)的出現(xiàn)，束縛態(tài)仍然是金屬性的。此外，均勻波導(dǎo)的橫向離散波矢是一個(gè)體系常數(shù)，不依賴(lài)于自由波矢kx，只與波導(dǎo)寬度和鐵磁交換場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。有趣的是，P情形下由于空間反演對(duì)稱(chēng)性破缺，均勻波導(dǎo)中出現(xiàn)電子幾率密度主要集中在通道一側(cè)的邊緣態(tài)，并且導(dǎo)致非對(duì)稱(chēng)的平面內(nèi)自旋極化矢量。與之相對(duì)的是，AP情形下，由