低维弯曲量子体系的几何作用势及其物理效应

Due to their rich geometrical properties and various topological structures, low-dimensional curved quantum systems may be possible to provide new physical characteristics and functional designs for nanoelectronic devices. Theories and experiments show that the curved geometrical properties of low-dimensional systems will be bring a geometrical potential (GP) to the confined charge carriers when neglecting the degree of spin. We name this special potential as the charge-GP. This program will choose some typical ZnO curved nanostructures (nanobelts, nanohelixs etc) as the main research objects and aim to discover the physical mechanism of this charge GP from the micro-point of view. Furthermore, considering spin property of the confined carriers, research group will discuss the influences of geometrical topological properties of system on spin behaviors of the carriers and get the form of so-called spin-GP for confined carriers. A microscopic physical explanation on the spin-GP should be given. Finally, the electronic properties of typical quantum system with geometric potential are studied. The spin polarization, spin flips and other physical effects and related geometry control mechanism are also discussed.

低维弯曲量子体系具有丰富的几何形貌和拓扑结构，将有可能对纳电子器件提供新的物理特性和功能设计。理论和实验都表明，低维体系的弯曲几何属性将对约束于其中运动的无自旋载流子施加一个几何作用势（电荷几何势）。本项目拟选择ZnO弯曲纳米带、纳米螺旋等典型低维弯曲量子体系为研究对象，从微观原子角度揭示该电荷几何势的物理机理。进而引入载流子的自旋属性，研究受限运动下体系的几何拓扑属性对载流子自旋行为的影响，得到运动载流子的自旋几何势，并对其物理机理给出微观解释。最后，项目还将对典型弯曲量子体系的电子性质及与几何作用势相关的物理效应进行研究，探讨载流子运动中的自旋极化、自旋翻转等物理过程及相应的几何调控机制。

随着半导体微结构生长制备技术的不断发展和完善，越来越多具有丰富几何特性和拓扑结构的新型低维纳米结构陆续进入人们的视线，并引起人们的广泛兴趣，如纳米管、半导体量子环、碳纳米管环、纳米螺旋带、碳纳米卷等等。这些新奇的弯曲材料和结构将有可能为纳米电子器件提供新的物理特性或新的功能设计。.本项目采用解析推导和数值模拟等方法，理论研究了几种典型弯曲纳米结构中载流子的电子性质及其相关物理效应，分析了这些结构的弯曲属性为电子行为的影响。基于ZnO纳米螺旋，构建了螺旋量子线的几何结构和物理模型，得到了包含电荷几何势和自旋轨道耦合的载流子有效哈密顿量，进而研究了其单电子的输运行为；发现螺旋几何参数可用于调控载流子的电荷输运和自旋输运，给出了自旋极化输运的条件。基于狄拉克方程研究了类石墨烯体系的电子行为和流响应，探讨了弯曲体系中电子的自旋轨道耦合，得到了自旋和曲率相互作用的有效哈密顿量；分析了载流子对（手征）规范场下的流响应，发现谷间散射可以破坏奇宇称流的拓扑性质，从而实现谷极化电流，并给出了相应的动力学调控机制。研究了碳纳米卷的电子性质及其几何调控，探讨了弯曲和钝化对碳纳米卷边界态的影响，发现弯曲的增加可导致碳纳米卷出现从金属到半导体再到金属的转变，并给出了相关的转变机制。研究了碳纳米管环的电子结构及其在外场下的几何相位效应，探讨了其AB振荡行为；此外，本项目组还对ZnO纳米岛、磷烯纳米结构和硼氮Schwarzite体系等的力学和电磁性质进行了研究。.这些研究对发展凝聚态理论具有重要的学术意义，也对这些新型弯曲纳米结构在纳电子器件中的应用具有指导意义。