有限温度下强关联多量子点体系相变及输运性质的研究

Multi-quantum dots are emerging as idea systems for studying strongly correlated many-body physics. These systems can be used to study the quantum phase transition, the Kondo effect and the spin-polarized transport in magnetic molecular junction, semiconductor quantum dots, carbon nanotube and those clusters on metallic surfaces, which will also provide theoretical supports for molecular electronics, spintronics, quantum computing and quantum information. In this program, we will present reasonable multi-quantum dot systems considering adequately the structures of related materials. By means of Wilson’s numerical renormalization group (NRG) technique, we will study the linear conductance, the magnetic susceptibility, the correlation function and the local charge occupation of the system as functions of different interactions, external magnetic field and gate voltage. Then, we will try to reveal the physical scenarios of those strongly correlated effects, such as the quantum phase transition, the Kondo effect and the spin-polarized transport, and study those phenomena at finite temperature. Based on these works, we will show guidance for molecular electronics and spintronics devices.

耦合的多量子点体系被看作是研究强关联多体问题非常理想的对象。这类体系可以用于探究磁性分子结、半导体量子点、碳纳米管量子点以及相关金属表面团簇吸附结构的量子相变，Kondo效应及自旋极化输运等强关联问题，能够为分子电子学，自旋电子学，量子计算，量子信息等领域提供理论支持。在本项目中，我们在充分考虑相关材料结构特征的基础上，提出合理的多量子点体系模型，借助数值重整化群方法，通过研究体系中各种相互作用及外磁场、门电压对电导率、磁化率、关联函数、电荷占据数等性质的影响，揭示诸如相变，Kondo效应及自旋偏振等现象的物理机制，并给出这些性质在有限温度下的响应特性，为设计相关分子电子学器件，自旋电子学器件指出途径。

耦合的多量子点体系被看作是研究强关联多体问题的理想模型。这类体系可以用于探究半导体量子点及相关低维结构强关联条件下的量子相变、Kondo效应、量子输运等问题，能够为自旋电子学，分子电子学，量子计算，量子信息等领域提供理论支持。在本项目中，我们借助数值重整化群方法，研究了多种构型量子点体系的相变、量子输运及相关问题。譬如，在双量子点体系中，讨论了外磁场诱导的量子相变及自旋过滤特性，提出了不依赖于极化导带及自旋-轨道相互作用的自旋过滤器，其过滤效果可以通过外部参数非常便捷地操控；探讨了能级差调控的KT相变，局域态密度，量子输运，及有限温度下的热力学特性；在并联三量子点体系中，发现当电荷数目为 2 时，点间输运能够抑制 Kondo 效应，此时透射系数中的非对角项在费米能级处产生劈裂，而当电荷数为1时，电导率趋于最大值，然而其物理机制并非起源于 Kondo 效应，而是来源于导带对量子点的散射势；探讨了能级差导致的量子相变和输运性质，发现可以通过调节能级差得到一种奇异的量子态，在该量子态中，RKKY相互作用失效，且可能导致电导率趋于0。理论研究表明，这类现象的产生源于量子点间的能级差导致点间形成一个封闭的输运环，从而抵消了量子点-导带间的输运，Kondo效应被抑制；探讨了在Kondo区域之外，跳跃积分对输运性质和量子相变的影响，发现并联三量子点体系在不同的外电压、跳跃积分范围等同于单量子点、并联双量子点及侧耦合双量子点体系。提出了一种新的三角形量子点模型，在该体系中，两个量子点和导带直接连接，另一个量子点仅通过该两个量子点与导带连接，阐明了该体系中RKKY相互作用的起源及作用机制，厘清了该种模型的零温相图，输运性质，及局域磁矩随温度的屏蔽机制，阐明了点间库仑作用对Kondo效应的影响，提出了一种全新的全屏蔽自旋-1的Kondo效应。在含有两个侧点的三角形量子点体系中，讨论了RKKY相互作用与跳跃积分、点间库伦作用的竞争关系及其强关联效应。在并联的一、二、三量子点体系中，提出了普适性的可以通过调节外部电场、磁场来获得自旋极化电流的方案。在三量子点体系中，探讨了量子点构型对输运性质的影响及不同类型的Kondo行为。在并联三轨道分子结结构中，讨论了外磁场的影响，揭示出当轨道之间的跳跃积分足够大时，可以通过调节磁场到不同的区域获得双向自旋过滤效应，且其过滤效率理论上能够达到100%。