量子点磁性隧道结中自旋相关的热电输运理论研究

在通常的热电输运中引入电子自旋自由度，最近新诞生了一门"自旋热电子学（spin caloritronics）"，它是自旋电子学在热电效应中的一个重要延伸，极大地引起了研究兴趣。量子点磁性隧道结由于易控性，在自旋相关的热电输运研究中具有极大的优越性，它的研究既可发展自旋输运理论、为开发自旋电子器件提供新思路，也为寻求新型热电器件开辟一个新方向，对基础研究和潜在的应用都有着重要的价值。本项目拟研究的内容包括：1）研究磁性分子的内禀磁各向异性及磁化量子隧穿相关的自旋塞贝克效应，利用热电信号来揭示磁性分子内部的微观磁结构。2）研究热电输运中磁性分子内部自旋态的翻转机理，进而探索以磁性分子为信息储存基元的热调控方案。3）研究量子点的自旋阻塞、电子-电子、电子-声子互作用等多体问题相关的塞贝克效应，从热电特性的新角度来揭示这些微观机制，为热电子器件的设计或热电转化效率的提高提供新思想。

自旋电子学目前已成为凝聚态物理和材料物理领域最为关注的前沿研究领域之一，它的主要目的是操作电子自旋自由度来实现信息储存、加工和处理。自旋量子态的操控和自旋流（或自旋偏压）的产生、操控及探测是自旋电子学领域中最为关键性的课题。本项目主要以磁性分子和量子点磁性隧道结为研究对象，系统开展了自旋相关的热、电输运研究。为了实现自旋的有效调控，我们采用了外加温度差（通过塞贝克效应）、偏压和门电压等多种外部调控手段，且同时通过对比研究阐述了不同手段在调控自旋相关输运的优缺点。由于量子点纳米体系具有强的量子受限及多种多体效应，在自旋调控上有其独特的优势。在研究中，我们考虑了多种微观机制，包括磁性分子内禀的磁各向异性、磁化量子隧穿、电子-电子互作用，电子-声子互作用、自旋-轨道耦合机制、库仑阻塞及自旋阻塞机制等，详细揭示了各种微观物理机制在自旋输运中的作用。 研究发现，这些微观机制严重地影响着电子自旋相关的输运，通过控制各种微观机制的大小或它们的联合作用，产生了丰富的自旋输运特性及自旋相关的热电特性。特别是在自旋塞贝克效应的研究中，发现通过控制温差可以更容易调控自旋状态并获得纯自旋流及自旋过滤器效应，为自旋流的产生提供了新思路，是自旋电子学在热电效应中的一个重要延伸。但同时也发现自旋塞贝克效应会抹去自旋量子关联效应，必须结合电控手段进行探测。我们还重点探讨了在磁性分子隧道结中自旋极化输运对磁各向异性及自旋翻转的影响，为探索以磁性分子为信息储存基元设计提供理论依据。分子量子点磁性隧道结由于易控性，它的研究不但丰富自旋电子学的基础理论，而且为开发新型自旋电子器件提供新思路，对基础研究和潜在的应用都有着重要的价值。此外，我们根据国内外研究发展状况，扩展了我们的研究内容，研究了类石墨烯体系中量子态的调控及电子输运特性。