铁磁/超导石墨烯异质结的自旋相关输运研究

2010年Nobel Prize的揭晓让物理学界的关注目光投向石墨烯Graphene这一新型碳纳米材料。石墨烯既是最薄, 也是最强韧的材料, 比钻石还坚硬, 同时有很好的弹性。此外, 它的载流子浓度高达每平方米1000亿个, 载流子迁移率也很快, 电阻比银还小, 还有很好的导热性能。本课题基于理想的石墨烯材料，考虑铁磁/超导/铁磁的异质结模型, 采用散射矩阵S-Matrix和非平衡格林函数的方法, 解析推导平衡自旋流的表达式，分析铁磁交换耦合在超导条件下对平衡自旋流的影响，分析它与普通铁磁石墨烯异质结的异同。进一步，我们在铁磁/超导异质结模型中考虑Rashba自旋轨道耦合作用, 在Dirac-Bogoliubov-de Gennes方程基础上，解析推导其中的电流和自旋流。通过铁磁交换场的角度和强弱，以及费米能的改变，理论上实现异质结的电流和极化自旋流调控, 提炼出有应用价值的物理特性。

首先，从理论上建立铁磁/超导/铁磁石墨烯（FM/SC/FM）异质结模型，采用解析的方法求解Bogoliubov-de Gennes方程，得到能量本征值和本征态。在此基础上，结合边界条件，建立散射矩阵满足的方程，求解出各项系数。代入Landau-Buttiker公式，推导出电导率的表达式。由于存在特殊的交叉Andreev反射，这种三端异质结构相比两端结构的磁阻更明显。在交换场平行和反平行时，非局域电导呈现相同的曲线行为。通过外磁场和偏压可实现电导率的调节，基本实现项目的第一个目标。.然后，我们继续研究具有内禀Rashba自旋轨道耦合的铁磁/超导结，通过Dirac-Bogoliubov-de Gennes方程和散射矩阵的方法，计算出相应的电导率。内禀Rashba自旋轨道耦合提供自旋翻转机制，产生自旋Andreev反射。发现处于高极化状态的铁磁场下，0偏压电导会出现峰值，且电导率会随着交换场的角度发生变化。当两侧费米波矢的比例增加，电导率先增后减，该行为与普通的铁磁/超导石墨烯结有很大不同。该研究的结果是首次在铁磁/超导石墨结中引入自旋轨道耦合，并出现一些新的导电特性，其0偏压电导峰对于未来的纳米微结构器件的设计有理论参考价值。. 最后我们研究了非共线铁磁/超导/铁磁石墨结中的平衡自旋流，单层石墨的磁性来源于磁性近邻效应。 利用散射矩阵方法，我们推导出平衡自旋流的表达式，通过计算，我们发现在一维情况下，平衡自旋流为零，也就是没有铁磁交换耦合作用，这来源于石墨特有的Klein-Gordon佯谬。而在二维情况下，平衡自旋流(交换耦合)不为零，并且随着交换能，费米能和散射区长度的增加出现振荡衰减的趋势。由于石墨特殊的电子能带结构，平衡自旋流呈现电子空穴的反演对称性，这与普通材料的电子空穴反演反对称性是不一样的.可通过交换能，费米能和散射区长度调节自旋流的大小。该结果是首次对超导石墨烯的平衡自旋流的探索，发现该自旋流来源于交换耦合作用，对于研究其他异质结的平衡自旋流，及其调制作用有很大的借鉴价值。. 总的说来，项目的三个目标基本完成，虽然与原计划的设计方法有所不同，具体结果仍然准确。研究结果表明，自旋轨道耦合对于石墨烯超导异质结的输运性质有很大影响，并出现某些反常特性，对于探索石墨烯电子器件的应用有很大的理论指导作用。 该课题的理论研究已有公式和数据结果，相关的文章正在投稿