低维量子体系中的电子自旋输运与拓扑相变研究

半导体材料中自旋自由度的调控与输运是目前自旋电子学研究领域中在理论与实验上都倍受关注的热点方向。本项目将关注受限半导体量子体系中基于自旋轨道耦合效应的电子自旋输运与拓扑相变现象，重点研究实验参数对空穴型稀磁半导体量子阱中反常霍尔电导的调制效应、内禀自旋霍尔效应中的拓扑量子相变以及量子自旋霍尔效应中边界态的拓扑性质。利用格林函数方法探讨杂质散射效应对电子自旋输运中拓扑量子相变的影响。通过研究探索电子自旋输运的拓扑起源，深入了解受限半导体材料中自旋本身的物理规律与性质，促进自旋量子理论的发展，同时为新型半导体自旋电子学器件的设计提供理论依据。

在半导体中利用和控制电子的自旋自由度，成功地实现在半导体材料中的自旋注入和自旋输运，将是新一代电子器件的应用基础。本项目研究低维受限半导体量子体系中基于自旋轨道耦合效应的电子自旋输运与拓扑相变。通过研究深入了解受限半导体材料中自旋本身的物理规律与性质，为以自旋电子学为基础的新一代半导体器件的设计提供一定的理论依据。本项目取得以下研究成果：（１）我们利用久保公式和格林函数方法研究了具有Dresselhaus自旋轨道耦合的二维稀磁半导体量子阱中内禀反常霍耳效应，基于具有Dresselhaus自旋轨道耦合的GaSb量子阱实验参数计算出内禀反常霍耳电导率。研究发现，当二维稀磁半导体量子阱中两个子带都被部分占据时，由于存在Dresselhaus自旋轨道耦合中的立方项，即使在弱杂质散射情况下，内禀反常霍耳电导率并不为零，而且它的绝对值随着费米能的升高或量子阱厚度的增大而增加；（２）我们理论研究了具有自旋轨道耦合效应的半导体量子阱中磁致光电流效应与光致纯自旋流效应。利用密度矩阵公式，我们计算了光激发载流子密度、电流密度和自旋流密度。我们的理论对光电流与磁场方向和入射光极化方向的关系给出了清晰的物理图象。我们的研究也为自旋流的测量提供了一个新的方法；（３）我们理论研究了p波超导体中Majorana费米子边界态的拓扑量子相变行为。我们解析计算给出了足够宽的p波超导体条状样品中局域在样品边界的Majorana边界态模式。我们利用Z2拓扑数的计算给出了准一维p波超导体Majorana端点态存在的相图。研究发现准一维p波超导体中随着样品宽度的变化样品发生振荡性的拓扑量子相变行为；（４）我们理论研究了半导体异质结构中自旋相关的电子隧穿效应，得到与自旋相关的共振峰。研究结果可以用来实现可控电子自旋过滤器的设计；（５）我们研究了具有Dzyaloshinski-Moriya相互作用的多量子比特海森堡自旋链模型中热纠缠性质。本项目研究成果公开发表学术论文8篇，其中SCI收录论文6篇，有3篇论文发表在《物理评论Ｂ》上。