利用时域有限差分法研究Dirac量子体系中的超快相干输运过程

In recent years, graphene and topological insulators, as two kinds of massless Dirac quantum system, have been studied intensively. Graphene and topological insulators have high carrier mobility and very long phase coherence length. Therefore, the quantum interference effects from the electrodes and the impurities play an important role in the carrier transport, which is different from traditional semiconductors. In addition, the carrier shows a optical-like propagation in transport in some microstructures. In this project, we will study the coherent transport and the ultrafast transport in massless Dirac quantum system by using the finite-difference time domain (FDTD) method. The main contents include the coherent transport in the impurity scattering process and the phonon scattering process, the contribution of the coherent transport on the electronic conductivity, The influence of the optical field or terahertz field on the coherent transport in graphene, and the optical-like propagation in the massless Dirac quantum system. To make experimental verification more convenient, we also will calculate the momentum-resolved and time-resolved spectra of the two-color optical coherence absorption. Our studies are valuable both in deepening the knowledge of basic physics of massless Dirac quantum system and promoting the application of the ultrafast electronics and spintronics.

近年来，两种新型的Dirac量子体系- - 石墨烯和拓扑绝缘体引起了人们的广泛关注。这两种材料中的载流子具有极高的迁移率和超长的相干长度。这使得Dirac量子体系中载流子的输运行为和传统半导体中的输运行为并非完全一致，输运过程中各电极和各杂质间的干涉效应不再能忽略，且在某些微结构中表现出类光传输行为。对此，在本计划中拟发展光学计算中常用的时域有限差分法，并将其用来研究Dirac量子体系中电子和自旋的相干超快输运过程。主要研究内容包括石墨烯及拓扑绝缘体中杂质散射等超快输运过程中的相干性以及对电子迁移率的影响；外加电场、太赫兹场等对石墨烯及拓扑绝缘体中相干输运的影响；石墨烯及拓扑绝缘体微结构中的类光输运行为及相应的电子器件设计。此外,我们也将研究这些输运过程中所对应的单双光子干涉吸收谱，以方便实验验证。这些研究不仅可以丰富Dirac量子体系的物理内涵，而且能够为新型的量子器件设计提供物理基础。

在本项目的执行期内，主要研究了二维材料中电子与光子的相互作用、二维材料-光子晶体复合结构中电子、光子的相关动力学过程。获得的主要研究成果有：(1) 获得了单层二硫化钼的介电常数，在此基础上研究发现特定光子晶体中的光子局域态可以增强单层二硫化钼的光吸收达2-4倍，增强其受激光辐射3个量级。(2) 研究了外加磁场下石墨烯中的朗道能级及其激子效应。在石墨烯-介质堆垛结构中这种激子和光子的耦合可以用来调控堆垛结构中载流子的群速度。(3). 研究发现在金属共振背反射可以增强石墨烯的THz吸收3-4倍，并减小石墨烯对THz的反射。且通过改变金属层和石墨烯层之间的栅压可以使得石墨烯的THz吸收从几乎完全吸收变化为几乎完全不吸收，并对入射光角度不敏感从而实现广角调控。 (4) 研究发现利用微腔中的光局域化特点，将石墨烯-二硫化钼异质结或半导体薄膜放置于锲形微腔中，并将其与分光聚焦结构结合起来，可以在石墨烯-二硫化钼异质结或半导体薄膜中实现广谱完美光吸收。(5) 研究了Dirac量子体系中电子-声子-电子相互作用，研究发现共振情况下Dirac量子体系中电子-声子-电子相互作用可以被增强1个量级。项目组成员在此项目资助下已经发表了15篇SCI收录的学术论文，其中5篇文章发表在影响因子大于3的期刊上，授权国家发明专利3项。