多终端半导体介观环的自旋输运特性研究

Based on quantum waveguide theory, the transfer matrix and the Green’s function method, with the Landauer-Büttiker formula, this project will study spin transport properties of multiterminal semiconductor rings, and we will focus on three-terminal and four-terminal semiconductor rings. The research includes that: (1) we will investigate zero-conductance resonances in multiterminal semiconductor rings to summarize the conditions and evolution regularity of the conductance zeros, and explore the connection between the conductance zeros and transmission resonances, the spin polarization vectors and their components will also be studied. (2) Spin transport properties in three-terminal rings will be studied under magnetic field, and we will focus on the effects of the Zeeman term, and the study on spin transport properties in three terminal polygons will be also carry out, and the results will be compared with those of the rings subjected to magnetic field and spin orbit interaction (SOI). (3) Spin transport properties of quasi-one-dimensional rings under weak magnetic field and SOI will be studied, and the effects of the terminal configuration, magnetic field, the impurity, and the interplay of Rashba and Dresselhaus SOI will be investigated, and the results will be compared with the available experimental data. We are looking forward to explain the experimental phenomena of the relative reference. This project will provide a deeper understanding of mechanisms that lead to spin beam splitter-like behavior of multiterminal rings, and rich the transport theory on semiconductor mesoscopic rings.

本课题拟采用量子波导理论、传递矩阵及格林函数方法结合Landauer-Büttiker公式，以三终端和四终端介观环为重点，对多终端介观环的输运特性开展研究，主要内容包括：(1) 研究多终端介观环的零电导共振现象，总结电导零点产生条件和演化规律，探索电导零点与其附近共振峰对称性的关系，研究各输出端自旋极化矢量及其分量；(2) 研究磁场下塞曼项对介观环输运特性的作用，建立多终端多边形环输运特性的研究模型，探索多终端圆环和多边形环输运特性的异同；(3)考虑圆环宽度，研究磁场下含有杂质的准一维多终端圆环的输运特性，分析介观环输出端配置、杂质、磁场及Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合相互作用对介观环输运特性的影响，探索相关文献实验现象的物理本质。本课题的完成将增进人们对多终端介观环器件自旋分离和输运机制的理解，完善介观环的输运理论。

在半导体量子环结构中，自旋轨道耦合和量子干涉共同作用可以用来实现电子自旋的控制和操作。基于半导体量子环设计开发电场控制的自旋分离器件，要使用三终端或四终端量子环。因此，对多终端量子环中的自旋输运特性研究是有必要的。基于此，该项目研究了一维三终端和四终端半导体量子环的自旋输运特性，主要研究内容和结果如下：. 1.推导了三终端圆环输出端的透射系数，通过对透射矩阵的幺正变换得到了输出端电导的自旋极化分量，研究发现：随着自旋轨道耦合强度的增大，z方向的自旋极化逐渐减小并趋于零，x方向的自旋极化快速增大并趋于饱和，y方向的自旋极化始终为零。. 2.利用格林函数方法研究了 Rashba 自旋轨道耦合(RSOC)和Dresselhaus 自旋轨道耦合(DSOC)共同作用下三终端圆环的自旋输运特性，计算了RSOC和DSOC共同作用下圆环的能带，研究发现：考虑一种自旋轨道耦合时，输出端电导呈现出典型的零电导共振现象；无序效应的加入消除了电导的零点；同时考虑RSOC和DSOC时，圆环的能带出现了带隙，对称配置输出端的电导产生了各向异性，这种各向异性对无序显示出较强的稳健性。. 3.基于量子波导理论和微扰论，研究了弱磁场下塞曼效应对三终端圆环自旋输运特性的影响，研究发现：弱磁场下塞曼效应破坏了自旋的等价性，把电导零点变成了电导的极小点；支路电导和总电导呈现出AB振荡，但是塞曼效应改变了输出端电导AB振荡的振幅。. 4.推导了解析的四终端圆环的透射系数，考虑Rashba自旋轨道耦研究了弱磁场下四终端圆环的自旋输运特性。研究发现：非对称配置的四终端圆环输出端电导也呈现出典型的零电导共振现象，电导零点可以分成两类，自旋轨道耦合、磁场、塞曼效应对电导零点都有影响。对于对称配置的四终端圆环，体系的电导、自旋电导及自旋极化率存在一定的对称性。. 本课题的完成增进了人们对多终端介观环器件自旋分离和输运机制的理解，完善了介观环的输运理论。