磁性分子结及量子点系统中的输运性质及量子相变

分子电子学是涉及物理、化学、材料科学与工程、电子工程等诸多领域的一门新兴交叉学科，在可以预见的将来有望设计出分子水平上的开关、电阻、电容、放大器、化学传感器及光传感器等电子元件，并极大地提高计算机芯片的集成度。单个磁性分子可看作量子点，其有望成为分子自旋电子学的最小功能单元。由于在磁性分子或量子点中存在强的电子-电子关联作用，我们在充分考虑磁性分子结构特征的基础上，将用多体理论的方法（如簇微扰理论及数值重整化群方法），通过研究系统中的各种相互作用对电导率、磁化率、及光电子谱等输运性质的影响，揭示一些我们感兴趣的物理现象，例如Kondo效应、量子相变及自旋偏振电导的物理机理，并给出这些输运性质在有限温度及外加磁场下的响应特性。为设计分子电子学器件或分子自旋电子学器件指出途径。

该项目研究磁性分子结及量子点系统中的输运性质及量子相变。对多量子点系统，我们考虑量子点中电子的强关联作用，研究了电子库伦作用、门电压及磁场所产生的效应，发现了一些新奇的物理现象。在对称两量子点中，通过调节门电压，我们观察到局域自旋态间的两个一级相变及一个KT量子相变;通过调节电子库伦作用和磁场，可以观察到从低自旋态到高自旋态的一级或二级量子相变；在合适的磁场下, Kondo效应可以得到恢复, 完好的自旋过滤器得以实现。在对称三量子点系统中，考虑量子点间电子库伦作用时，在三量子点间的能级差很小的情况下, 我们观察到很强的电荷振荡现象, 该现象源于强关联系统中的多体效应。对有磁受挫的非对称三量子点分子中的量子相变进行了研究，发现相变的边界可用探测通过量子点的透射率来精确的确定。当磁受挫较小时，随着量子点间库伦作用V的增强，系统先从Kondo共振态到库伦阻塞态进行KT相变，随后又通过一级相变过渡到V诱导的共振态。当磁受挫较大时，随着量子点间库伦作用V的增强，系统从轨道自旋单态经KT相变到V诱导的共振态。对非对称偶合的并联双量子点系统，研究了两步Kondo屏蔽现象。在三重态，两个量子点在同一Kondo温度下发生磁矩屏蔽。在三重态-单重态的量子相变的临界区，观察到两步Kondo屏蔽现象，并伴随着两个能量尺度的Kondo共振。非对称性越大，第二步Kondo共振越弱，这说明在以前的侧耦合双量子点中观察到的两步Kondo屏蔽现象并不是真正的两步Kondo屏蔽。对环状有机分子中的输运性质进行研究。当环完全由碳原子连接而成时，我们总能观察到Kondo效应，其中有两组碳原子会形成自旋单态；如果有两个相邻的碳原子被氮原子对称取代，则两个氮原子会形成自旋单态，Kondo效应会通过一级相变消失；如果有两个相邻的碳原子被其它原子非对称取代，Kondo效应会通过KT相变消失。对一维半满的Hubbard超格子中的电子和自旋结构进行研究，每个原包含有一个在位排斥作用为U的格点及L0个无电子相互作用的格点。当L0为偶数时，观察到在临界点Uc发生金属-Mott绝缘体相变；当L0为奇数时，观察到在粒子-空穴对称点为关联金属，在其他点为带绝缘体，且随U增大有一个电荷无公度相出现。