量子点自旋电子学器件中热流的生成机制及应用研究

Heat generation by electric current (Joule heat) raises energy consumption and affects the stability of the devices, and will become even more important with its increasing miniaturization and integration density. Recent experimental work [Nature 475, 82 (2011)] demenstrates that heat can also be generated by spin-polarized current, which originates from the energy difference between electrons with opposite spin directions in the ferromagnetic electron reservoir, puting forward a new scientific subject. In this project, we intend to study the general laws of heat generation by spin-polarized current in quantum dots whose one terminal is connected to a ferromagnetic lead and the other to a spin battery. With the help of the tunable energy levels in the quantum dot and the fact that electrons with different spin directions having different Fermi energies to predict theoretically the configurations of the spin-dependent density of states in the ferromagnetic leads, as well as its impacts on the properties of heat generation by spin-polarized current; Applying approriate microwave fields to the above structure to manipulate the spin-polarized current and the corresponding heat flows; basing on different device configurations and the laws of heat flow to design theoretical model for local refrigerator and thermal rectifier. Our work may have interests in suppressing and reusing the heat generation by spin-polarized current, enhancing the devices' work efficiency and stability, as well as developing new kinds of energy resources.

电流产生的热量（焦耳热）会增加器件的能耗、影响其稳定性，并将随着器件的小型化和集成度的提高变得越来越重要。近期的实验工作[Nature 475, 82 (2011)]证明，自旋极化流也会生热。这种热流主要源于铁磁体中不同自旋方向电子的能量之差，为自旋电子学提出了新的科学问题。本项目研究自旋池-量子点-铁磁体结构中自旋极化流生热的一般规律，借助量子点可调的能级、自旋池中不同自旋方向的电子各自处于不同费米能级的性质，理论预测部分铁磁体中自旋相关态密度的分布形状及其对自旋极化流生热性质的影响；在这种体系中施加适当的微波场，用光学和热学的联合手段产生和操作自旋极化流及其携带的热流；针对不同的器件结构和热流的运动规律，理论设计能够对声子库进行制冷和整个体系用作热整流器的装置。我们的研究工作对抑制和利用自旋极化流的生热、提高自旋电子学器件的工作效率及稳定性、开发新型的能源均有重要的意义。

近来的一些实验工作证明，与通常的电子器件中电流会产生热量一样，自旋极化流也会生热。这些热量同样会增加器件的能耗、影响其稳定性，并将随着器件的小型化和集成度的提高变得越来越重要。不同的是，自旋极化流生成的热量主要源于铁磁体中不同自旋方向电子的能量之差，为自旋电子学的研究提出了新的挑战。本项目研与铁磁体和自旋池耦合的量子点结构中自旋极化流生热的一般规律，借助量子点可调的能级、自旋池中不同自旋方向的电子各自处于不同费米能级的性质，理论预测部分铁磁体中自旋相关态密度的分布形状及其对自旋极化流生热性质的影响；在这种体系中施加适当的微波场，用光学和热学的联合手段产生和操作自旋极化流及其携带的热流；针对不同的器件结构和热流的运动规律，理论设计能够对声子库进行制冷和整个体系用作热整流器的装置。. 研究结果发现当量子点与对称的自旋池相耦合时，热流相对于自旋压的曲线出现明显的负微分热导现象，但如果自旋池是非对称的，这种现象消失。如果量子点与一个铁磁电极和一个自旋池相耦合，热流的负微分热导现象在自旋池引起的泡利阻塞效应作用下消失，同时以前工作中发现的共振声子隧穿引起的巨大热流也在某种条件下消失，说明可以通过调整量子点的能级来控制热流的大小。. 当与量子点耦合的两个铁磁电极中的磁化方向相互平行时，热流与电极的自旋极化率无关，这与电流的规律相似。而当两个电极的磁化方向相互反平行时，电极的磁化率对热流和电流有不同的影响。当两个电极的磁化率相等并远小于1，并且磁化方向之间的夹角由零变化到180度的过程中，热流的大小是单调增加的，而电流的大小是连续减弱的。在一定的结构参数条件下，流过系统的热流强度可以在一个热压方向上很小，而在另一个热压方向上变得很大，从而可以用作热整流或热二极管装置。热流还可以在一定条件下变成负的，即可以从量子点的基质材料吸取热量，达到对其进行局域制冷的效果。. 如果与铁磁电极耦合的量子点结构受到光子的作用，即使在偏压小于声子的能量单元时热流也会产生，当偏压大于声子能量单元时出现明显的负微分热导现象。在光场的作用下，当两个电极中的磁化方向相互反平行时，自旋极化流的大小随着电极磁化强度的增加而单调增加，但热流的大小却保持不变。而如果电极中的磁化方向相互平行时，热流的共振峰强度和位置都随着电极的自旋极化率的变化而变化。.