量子自旋霍尔体系中边缘态输运的理论研究

最近两年出现的新奇的拓扑绝缘体材料为无耗散的自旋输运提供了物理基础，可能构造全新的自旋电子学器件。拓扑绝缘体的边缘态展现出奇特的金属性质，电子的自旋和动量方向是锁定的。本项目将采用Luttinger液体模型和非平衡格林函数方法处理一维体系中电子－电子之间关联效应，研究考虑库仑相互作用的量子自旋霍尔体系中边缘态非同寻常的Dirac费米子系统存在的一些新奇的量子输运现象，并进一步揭示外场、杂质等因素对电荷和自旋输运特性产生的影响。本项目选取量子自旋霍尔体系中边缘态体系输运性质为主要研究对象，具有理论和应用上的重要意义，我们将解释新的实验现象，寻找调控输运特性的方案，并为新的实验发现或器件提供物理基础。

本项目旨在研究拓扑绝缘体边缘态输运性质，拟开展电子间相互作用对输运性质的影响。经过3年的研究，基本完成计划中的研究内容，达到了预期目标。总计发表论文12篇，专著1部。并在2011年度湖南省物理学会年会做大会报告，在中国物理学会2013年秋季学术会议半导体物理分会做邀请报告。取得的成果概述如下：我们分别通过改变量子点接触栅极上的电压、横向电场、周期电场势垒、磁势垒以及边界形状，增强或减弱量子自旋霍尔体系边缘态之间的耦合，从而阻断和导通沟道的导电行为，实现对边缘态输运的控制。我们采用Luttinger 液体模型和非平衡格林函数方法处理一维体系中电子间关联效应，研究考虑库仑相互作用对准一维量子线以及量子点体系输运性质产生的影响。细致考虑了不同晶面不同晶格取向上准一维量子线中电子间库仑相互作用、Rashba自旋轨道耦合、Dresselhaus自旋轨道耦合三者共同作用相互竞争、相互耦合。通过对两个不同晶格取向角度交流电导频率的测量，我们能够测得 Rashba与Dresselhaus自旋轨道耦合的相对强度，从而提供了利用交流输运性质在准一维体系中测量自旋轨道耦合强度的方案。使用相互作用构形方法研究了自旋轨道耦合效应对含量子点体系的能谱、电子分布以及光吸收的影响。在此基础上进一步研究库仑相互作用在量子自旋霍尔体系中边缘态非同寻常的Dirac 费米子系统中引起的一些新奇的量子输运现象。本项目选取量子自旋霍尔体系中边缘态体系输运性质为主要研究对象，具有理论和应用上的重要意义，我们将继续开展深入细致的后续研究工作，寻找调控输运特性的方案，并为新的实验发现或器件提供物理基础。