碳纳米管量子点中自旋－轨道耦合作用研究

理解纳米尺度下电子的自旋与轨道之间的相互作用是实现自旋电子学应用的重要前提。碳纳米管由于具有电子背散射小、自旋相干时间长等特点，这使得碳纳米管成为构筑未来自旋电子学器件的理想材料。在电子的量子输运，自旋注入、输运、调控与探测方面具有广泛的研究空间。在本研究计划中，我们拟通过电子束曝光等微加工手段，构建出耦合强度适中的、具有铁磁金属－碳纳米管－正常金属、铁磁金属－碳纳米管－铁磁金属、正常金属－碳纳米管－正常金属等不同结构的碳纳米管量子点器件。在低温及强磁场下研究这些纳米结构中的电子与自旋输运行为，观测诸如库仑阻塞、近藤效应、自旋阻塞等物理现象。重点研究碳纳米管直径、手性以及栅压等因素对自旋－轨道耦合作用的影响规律，寻找通过电学手段来调控自旋的方法。

本项目主要研究包括以下四部分内容：（1）快速退火炉的研制：欧姆接触在整个项目研究中占有极其重要的地位。快速退火工艺是制备欧姆接触的不可或缺的手段之一。为此，我们首先研制了保护气氛快速退火炉。主要性能指标如下：最高退火温度为450℃，升温速度90℃/分钟，保护气氛根据需要选择，可以是氧气气氛，也可以是还原性气氛。利用此退火炉可以实现接触电阻小于1Ω的欧姆电极。（2）单壁碳纳米管的可控生长、器件制备及物性测量：利用自主生长的高纯碳纳米管成功制备了不同电极材料的碳纳米管器件。在铁磁金属－碳纳米管量子点器件中观测到库仑振荡的周期在电子型一侧与空穴型一侧不对称性的现象。现有的理论无法解释这一新颖现象，我们猜测可能是铁磁电极引入的极化场所致。目前正与做理论的同事合作，希望能对这一现象给出合理的解释。（3）高迁移率二维电子气中高朗道能级中的电学输运行为：在现有高迁移率二维电子气的各相异性研究当中，绝大多数研究者采用Van der Pauw构型的方块样品。在这种样品中，电流分布的影响会夸大样品本身的各相异性。为此，我们设计了“L—型”Hall-bar样品，使其中的两条腿分别沿[110]与[1-10]晶向。在[1-10]晶向上，我们首次发现了一种与朗道能级填充有关的奇偶各相异性输运行为。这种现象不能用已有Hartree-Fock近似及变分法理论来解释。通过变温与旋转场实验，我们给出了唯象解释：同一朗道能级之间的电子—电子之间的交换作用与不同朗道能级之间的电子—电子之间的交换作用不同所致。（4）基于量子霍尔态的干涉器研究进展：Majorana费米子作为一种拓扑型的元激发，其状态受到拓扑保护，不会被来自环境的杂散扰动退相干，被认为是构建固态量子计算机的理想载体。二维量子霍尔体系是实验上最可能产生Majorana费米子的体系之一。利用我们课题组自主生长的高迁移率（500万cm2/Vs）二维电子气样品，成功制备了量子点接触器件与法珀干涉器。在量子点器件中观察到因导电通道数目的减少而呈现出的电导量子化现象；值得一提的是，在法珀干涉器中，在填充数为1附近的位置，种种迹象表明我们观测到了整数电荷的干涉信号。这些结果还是很鼓舞人心的，下一步工作就是要探测分数量子霍尔态准粒子的统计性质。