石墨烯体系的量子输运性质研究

理论研究石墨烯体系中与量子输运有关的一些奇特现象。主要集中研究下面几个方面：研究无序对多端石墨烯p-n结体系输运性质的影响，期望模拟出最近他人的实验结果；在铁磁石墨烯体系中提出一种新类型的超流态，并研究这新超流态的性质和由它引起的一些新现象；同时也研究石墨烯超导复合体系中异常Andreev反射的一些新奇规律。通过这些研究，能全面深入地了解石墨烯的输运性质和规律，发现一些基于石墨烯的新效应，也为未来应用及制造低维电子器件提供理论依据。

在本项目的资助下，我们按计划对石墨烯体系的量子输运性质开展理论研究。三年来，我们紧紧围绕申请书中所提到的内容（包括石墨烯p-n结、铁磁石墨烯、石墨烯-超导耦合体系等）开展研究。研究进展顺利，已完美地完成了本项目的研究任务，达到了项目所预期的目标，主要研究成果以论文形式发表在国际学术期刊上。共发表SCI收录论文27篇，其中Phys. Rev. Lett. 1篇，Nature Commun. 1篇，Phys. Rev. B 16篇。一人参加的工作获得2011年“中国科学院杰出科技成就奖”，一人获得教育部长江特聘教授。毕业博士生5名，在读博士生和直博生3名，在读硕士生1名，在站博士后1名。.主要研究成果：1、首次发现低温下石墨烯体系会出现量子热Hall效应，并发现Hall热导平台在半整数位置，同时发现Hall热导平台与石墨烯的边界类型与样品尺寸都无关，也不受杂质影响。特别是，我们发现石墨烯体系的Hall洛伦兹数可以是负的。这是非常惊奇的。在以往的体系中，仅仅在有相互作用的分数量子Hall效应体系中出现过负Hall洛伦兹数。我们也给出了这负Hall洛伦兹数的微观起因。2、对应于超导，我们在铁磁石墨烯体系中首次提出了自旋超导态的概念。自旋超导态是由电荷中性、自旋非零的玻色子凝聚成的超流态，其自旋阻为零，且自旋超导流能无耗散地流过自旋超导体。特别地，由于电子－空穴对的电荷为零，所以自旋超导体是电流的绝缘体。3、我们研究了石墨烯p-n结体系的蛇形态以及由它所引起的量子输运现象。我们考虑了六端石墨烯p-n结纳米带体系，发现由于蛇形态的存在，电流随着外加磁场的变化出现了周期性振荡现象。4、我们发现石墨烯-超导耦合体系中的Andreev反射是镜象反对称的。即这体系的一个Andreev反射事件和它的镜象里的Andreev反射事件是相差一个 相位。这源于石墨烯独特的能带结构。由于这 相位差，当有多个超导存在时，会出现奇特的量子相干现象。5、研究DNA的自旋输运性质。首次给出一个有自旋轨道耦合的双链螺旋DNA模型哈密顿量，并发现当体系有退相干、双螺旋、和自旋轨道耦合时，双链DNA有自旋过滤效应；但单链DNA没有自旋过滤效应。.以上这些成果和发现，能全面深入地了解石墨烯体系独特和新奇的量子输运性质。这些研究在一定程度上促进了石墨烯领域的发展，也为制造基于石墨烯体系的量子器件提供理论依据。