外场调控下石墨烯类材料中Dirac电子的自旋-谷耦合量子输运

Electronic devices manipulate information by controlling the motion of electric charges. Modern spintronic devices work by means of the spin angular momentum of electrons. Recently, it is found that we possibly contrive valleytronic devices by making use of the valley degree of freedom of electrons. Graphene-like materials are popular objects for the research in condensed matter physics and material science in the past several years. These novel materials have fertile physical contents and potential applications for their peculiar electronic structures and topological properties. In this project, following the recent experimental and theoretical progress, we will study the spin-valley coupled quantum transport properties and topological quantum transitions in graphene-like materials under the modulated strain, electrical and magnetic fields. We aim to achieve the spin and valley selective transport, effectively control the spin of electrons via modulating the valley degree of freedom in the applied fields, and realize the topological quantum transitions which depend on the spin-valley coupling. We expect that our work will uncover some rules of the spin-valley coupling of Dirac electrons, predict probable novel physical phenomena, and design some spin-valleytronis devices based on the graphene-like materials. .

电子学器件是通过控制电子电荷的运动来操控信息的。现代自旋电子学器件则是利用了电子的自旋特征。最近几年人们发现，在石墨烯类材料中还可能利用电子的谷自由度设计谷电子学器件。石墨烯类材料是最近几年凝聚态物理和材料科学研究的热点，它们独特的电子结构和拓扑性质使得这类新材料具有丰富的物理内涵和潜在的应用价值。本项目将根据近几年来报道的实验和理论的研究进展，研究在应变、电场和磁场等外场的调控下石墨烯类材料中Dirac电子的自旋-谷耦合量子输运和拓扑量子相变。主要研究目标是，利用应变、电场和磁场等外场实现石墨烯类材料中Dirac电子自旋和谷的选择性输运，通过外场对谷的调控来实现对自旋的有效控制，以及实现与自旋-谷耦合相关的拓扑量子相变。我们期望本项目的研究能揭示更多 Dirac电子自旋-谷耦合的规律，预言可能的新奇物理现象，以及利用石墨烯类材料设计自旋-谷电子学器件。

依据本项目的研究计划，在已过去的2015-2017年度我们主要做了石墨烯、硅烯及其纳米条带在外加电场、交换场或光场调控下的能带结构、拓扑性质和自旋-谷相关的输运性质的研究，并取得了部分预期的研究结果和成果。首先，研究了石墨烯在Rashba自旋轨道耦合和光场调控下的拓扑性质、光吸收和自旋流，研究发现自旋流的注入效率可以通过增加內禀的自旋轨道耦合来实现，而且改变光的极化度可以调控自旋注入的大小和方向。其次，研究了硅烯纳米带在面内磁场作用下的能带结构和光谱特征，研究发现硅烯的边界形貌类型和宽度决定光吸收的特征，而且面内磁场不能增加扶手型条带的能隙。然后，我们进一步研究了石墨烯和硅烯在外电场和交换场调控下的能谱、边态和光吸收性质，研究发现垂直外电场和面内交换场的共同作用导致纳米带实现不同的能带和拓扑性质，特别是不同边界的纳米带的边态具有明显的不同，并在光吸收谱上有对应的特征峰。最后，研究了石墨烯、硅烯在具有Rashba自旋轨道耦合和反铁磁场下的拓扑相变和自旋-谷相关的Hall效应，研究发现外场可以实现硅烯中丰富的拓扑相，而且可以方便地调控自旋和自旋-谷Hall电导。相关研究结果已发表大部分，另有一部分正在整理和研究，预计2018年发表。