石墨烯体系中电子的类光学现象研究

The transport properties in the graphene systems have been a hot topic since A. K. Geim et al.in the University of Manchester first found graphene in experiments in the year 2004.We have studied the graphene waveguide with the electric field modulation. We have also investigated the current density and guided modes in graphene waveguides with a magnetic-electric barrier and the graphene waveguide induced by gradually varied magnetic fields,which may provide new principles in designing graphene-based quantum electron devices.Now the proposal focuses on the study of optics-like phenomena of electrons in graphene system on the basis of our recent results.In three years we will obtain the following results:1)We will investigate the transport properties in the single-layer and bilayer graphene waveguide systems with the modulation of electric fields, magnetic fields and strain effect,which could be helpful to offer a functionality for quantum modulation.2)We will also study the relation between the phase shift, Goos-Hanchen shift and time delay at the inteface of graphene and the transport properties in graphene waveguides.We wish the properties could be applied in valley electronics and quantum information technology.3)We will also focus on the relevant phenomena of the Rabi oscillation and stimulated Raman adiabatic passage in the graphene-based coupler waveguide and curve waveguide, which will be useful in the quantum waveguide system.

自2004年英国曼彻斯特大学A. K. Geim等人首次在实验上发现了石墨烯以来，石墨烯结构中电子的输运性质成为当前国际上研究的一个热点问题。近年来，我们相继研究了电场调制下石墨烯体系中波导模式、电磁场同时调制下石墨烯波导几率流密度、渐变磁场诱导的电子波导等一系列类光学特征，为设计石墨烯量子电子器件提供了新原理。在此基础上，本项目主要围绕石墨烯体系中电子的类光学现象展开应用和基础研究。通过三年的工作，拟取得以下三方面的成果：1)完成外场调制以及外加应力效应下单层和双层石墨烯电子波导体系的输运特性的研究，提出量子调控新原理；2)完成石墨烯界面上反射相移、古斯-汉欣位移、 时延和电子波导输运特性的关系的研究,探索其在能谷电子学以及量子信息科学技术中的应用；3)重点分析石墨烯耦合波导、弯曲波导中和Rabi振荡、受激拉曼绝热过程相关的类量子光学现象，提出其在量子波导器件中的可能应用。

2004年，曼彻斯特的科学家成功制备出石墨烯。近年来，石墨烯结构中电子的输运性质是当前国际上研究的一个热点问题。石墨烯具有许多不同寻常的性质。通过三年的努力工作，完成了以下几个方面的研究：1.不对称石墨烯波导中的导模；2.石墨烯势垒波导中的导模; 3. 含周期势的石墨烯超晶格的透射率带隙和共振峰分裂; 4. Cantor石墨烯超晶格中的电子带隙和输运; 5. 三元周期序列石墨烯超晶格的透射禁带; 6磁诱导三维拓扑绝缘体波导中的导模; 7. 石墨烯双波导中的模式分裂。项目进展顺利，在SCI期刊和EI期刊，以及国内核心期刊发表多篇论文。研究得到了不对称静电势诱导的石墨烯波导中导模发生的条件，并推导出了导模的色散方程，有三种产生波导模式的方式；在石墨烯超晶格的研究中发现，当电子隧穿周期结构的石墨烯超晶格时，作为入射电子能量函数的透射率会出现不止一个的透射禁带，并且这些透射率禁带可以通过超晶格的周期数、电子入射角、势垒高度和宽度以及势阱宽度来调节；从理论上推导出了电子隧穿周期静电势垒构成的石墨烯超晶格的透射率的表达式，得到电子在斜入射条件下的共振隧穿条件，共振峰在一定条件下会发生分裂；基于石墨烯的势垒也可以形成电子波导，产生导模的条件和基于石墨烯的势阱波导不同，在势垒波导中，不能在经典运动情况下产生导模；和传统的半导体同质结垒不同，石墨烯势垒可以形成波导，而传统的半导体同质结垒不能形成波导。我们对不对称静电势诱导的石墨烯波导和周期结构的石墨烯超晶格的性质进行了探索，在理论研究上取得了一些重要的结果，为设计石墨烯量子电子器件提供了新原理，希望这些结果能为设计基于石墨烯的电子器件提供一定的理论指导，并且希望在未来能在实验上对基于石墨烯的各种波导器件展开探索性研究。