谷耦合作用下石墨烯的极化输运和量子霍尔效应研究

Due to the high mobility and the longer spin lifetime, graphene is considered to be an ideal material for spintronics applications. In addition, the carriers in graphene not only have the spin degrees of freedom, but also have the valley degree of freedom, which can realize valley electronic function device. Realizing the spin and valley transport simultaneously not only can save more information but also is combined with the advantages of spintronics and valleytronics. Recently, it is shown that the valley coupling can manipulate the valley freedom and give rise to valley precession in graphene; Moreover, the Rashba spin-orbit coupling or the effective exchange field can control the spin. So the study focuses on the effect of the Rashba spin-orbit coupling or the effective exchange field on the spin polarization and valley polarization in graphene modulated by valley coupling, and then finds the method of realizing the spin polarization and valley polarization simultaneously. In addition, the edge states are also of particular importance for graphene, since these localized quasi one-dimensional edge states may provide some special non-dispersive transport channels. Therefore, the further research concentrates on the quantum Hall effect associated with the spin polarization and the valley polarization in graphene with the valley coupling, spin-orbit coupling, effective exchange field, and staggered potential. The scientific significance of this study lies in the spin degrees of freedom and valley degrees of freedom are considered together to lay the theoretical foundation for the future design of excellent electronic devices.

石墨烯高迁移率和较长自旋寿命使其成为自旋电子学应用的理想材料。石墨烯中载流子除了具有自旋自由度，还具有谷自由度。谷自由度可实现谷电子功能器件。如果同时实现自旋极化和谷极化输运，不仅能储存更多的信息，还可结合自旋电子学和谷电子学的优势。最近发现谷耦合可以调控谷自由度，并且产生谷进动；而Rashba自旋轨道耦合或有效交换场可以调控自旋。因此本项目着重研究谷耦合作用下，Rashba自旋轨道耦合或有效交换场等调控的石墨烯中的自旋极化和谷极化，进而找到同时实现自旋极化和谷极化的方法。另外，边缘态对石墨烯来说也特别重要，因为这些局域在边缘的准一维的态有可能提供一些特殊的无色散输运通道。因此进一步研究谷耦合、自旋轨道耦合、有效交换场、交错势等调控下石墨烯纳米带边缘态中与自旋极化和谷极化相关的量子霍尔效应。本研究的科学意义在于把石墨烯的自旋自由度和谷自由度结合起来考虑，为今后设计优良电子器件奠定理论基础。

本研究结合微纳系统的量子传输理论，围绕石墨烯等体系的谷极化以及自旋极化等现象展开研究，分析谷耦合、应力、自旋轨道耦合以及有效交换场等在石墨烯体系的谷极化输运以及自旋极化输运中的作用；并进一步围绕石墨烯等低维体系纳米结构的的能带调控以及边缘态输运等展开研究。首先我们在谷极化和自旋极化方面获得一定的成果:我们提出通过Y形Kekulé晶格畸变（谷耦合）和电势垒实现通道中的谷操纵从而获得谷贋磁阻的新方法。通过分析石墨烯基磁性超晶格的谷（自旋）相关能带和输运性质，获得了狄拉克点调节的的谷（自旋）极化；我们提出在具有圆偏振光和载流子质量的石墨烯结中诱导谷极化电流。进一步我们研究了在非共振圆偏振光调制下的铁磁硅超晶格硅烯中可以实现完全自旋极化和谷极化。同时我们发现在外部垂直电场、交换场和非共振圆偏振光的共同作用会导致系统的类Goos-Hanchen位移发生自旋和谷极化特征。其次，我们在自旋（谷）相关的边缘态方面也有一定的进展：我们研究了具有侧边门压和交错子晶格势的锯齿形石墨烯纳米带的能带和边缘状态的特性，发现了与谷相关的边缘态并且可以导致量子化的霍尔电导；计算了拓扑Dirac半金属（TDS）纳米线的磁电结构、电荷和自旋电导谱等特性，发现不同约束和磁场方向的TDS纳米线具有各向异性的电子结构和磁输运特性；进一步我们研究了具有两个侧向栅极和垂直磁场的拓扑Dirac半金属纳米线的电荷和自旋传输性质，该结构可以产生完全自旋极化的表面电流，这种传输现象的潜在物理学源于磁场引起的TDSM纳米线的量子异常霍尔型绝缘子状态。我们还研究了没有/有外部电场的狄拉克半金属 (DSM) 量子线中的电子传输，可以通过改变电场强度来实现 DSM 量子线中电子传输的切换效应。再者，我们还提出一种通过长程交互生成边界角态的方法。进一步通过 C4 对称高阶拓扑晶体绝缘体的角态特性，获得了不同小区间跳跃幅度的丰富拓扑性质。