自旋-轨道耦合下的量子点中电子自旋的拓扑性质

In this project, we study the spin textures and the density profiles of electrons in quantum dots with spin-orbit coupling (SOC). Spin textures of one or many electrons in a quantum dot with Rashba or Dresselhaus SOCs reveal several intriguing properties. We show that even at the single-electron level spin vortices with different topological charges exist, since the SOC plays an important role in the topological properties of the matter and the translational symmetry is broken by the confinement of the quantum dot. These topological textures appear in the ground state and the excitation states of the dots. The spin textures would be cancelled each other. However, the textures are stabilized by time-reversal symmetry breaking and are robust against the eccentricity of the dot. Further, the topological properties which are related to the Lande g factor of the material can be converted by tuning the strength of the SOCs or the magnetic field. In a many-electron system, the z component angular momentum is not strictly quantized any more, so that the rotational symmetry of the density profile could be broken. Moreover, the density profile and the spin textures are effected by each other. The spin-density textures with topological properties are very interesting in theory and such a rich tunable topological state may have very rich applications in spintronics and quantum information and computation.

本项目研究自旋-轨道耦合(SOC)下的量子点中电子的基态以及激发态的自旋结构和密度分布。量子点中一个或多个电子的自旋结构可以揭示出很多关于Rashba和Dresselhaus自旋-轨道耦合的有趣性质。由于SOC在物质的拓扑性质中扮演重要的角色，因此在SOC量子点中平移对称性的破坏导致单个电子自旋在实空间中可以呈现出涡旋状拓扑结构。外磁场可以破坏时间反演对称，并且保持自旋结构的稳定。该自旋结构具有拓扑性质，所以对量子点的几何外形不敏感。进一步，通过调节SOC强度以及磁场强度，电子自旋的拓扑结构同样可调，且朗德g因子可影响系统的拓扑结构。在多电子系统中，由于z方向角动量不再严格量子化，所以密度分布可能不具有旋转对称性且与自旋场相互影响。预期通过项目的开展提供对实空间中拓扑可调系统的研究，并预期在自旋电子学和量子信息量子计算中得到应用。

在凝聚态物理中，自旋-轨道耦合的研究深刻的展现了诸多物质态的拓扑性质。本项目基本按项目申请书展开，研究了自旋轨道耦合下的量子点、量子环中电子的自旋结构，并定义绕数定量研究其拓扑性质。另外作为课题拓展，我们也研究了光和量子点相互作用和分数量子霍尔效应的稳定性问题。本项目的主要研究内容包括：自旋-轨道耦合下的量子点、量子环中电子的基态以及激发态的自旋结构和密度分布。定义绕数定量研究Rashba和Dresselhaus自旋-轨道耦合诱导的电子自旋拓扑，并且证明拓扑数和量子点形状无关。在量子环中加入点状缺陷可以生成拓扑数为+2、-2的自旋结构。如果用拓扑数作为信息存储，那么在量子环中可以存储更多的信息并且有更宽广的调制空间；利用非对称量子环探索了麦克斯韦妖的存在，在磁场下量子环不同部分有不同的自选温度和自旋熵；将量子环作为输运单元，通过讨论其本征输运通道理论上设计了全电自旋检偏器。对应于光的偏振片，此器件可以用来测量电流的自旋极化率以及自旋极化电流的极化方向；自旋轨道耦合使量子点里的电子可以通过光场的电偶、磁偶相互作用实现不同能级之间的跃迁。光（微波）在量子点阵列中可以实现电磁诱导透明，通过控制光场可以将光子信息存储在固体量子点中并在适当的条件下将光子信息读出，且保真度接近70%；作为拓展研究我们考虑了强朗道能级混杂下的5/2分数量子霍尔效应态的稳定性问题，并且解释了一系列实验。