量子系统的热谷电转换效率及热谷电输运特性研究

As two typical degrees of freedom of electrons, charge and spin, have been investigated fully and applied widely. Meanwhile, the interactions of charge and spin with heat currents gave rise to two new subjects, thermoelectrics and spin caloritronics, which have been developed rapidly. “Valley”, a new degree of freedom of electrons, found in graphene and other low dimensional materials, have attracted wide attentions in recent years due to its potential applications in future information processing and storage. However, the research into the interaction of valley electrons and heat currents is still a whole new research field, the related research will give rise to a foundation of new physical subject, i.e., valley caloritronics, meaning the arrival of a new technology of power transfer and cooler. In this project, we will study the relationship between the valleyelectrons and the heat transport; study the physical mechanisms of thermally induced pure valley current and thermal valley current with different valley polarizations; study the coupling physics of the thermal valley current and the thermal spin current and their separation mechanism. Then, we will explore some particular properties of the thermal-produced valley electronic currents, such as valley Seebeck effect, thermal valley-current rectification effect, filter effect and negative differential thermal valley-current effect and others. Finally, we will explore the device applications of the valley caloritronics in the new low-consumption and thermoelectric conversion technologies. The research results of the project will extend our understanding into electrons in quantum systems, and help us to achieve the progress of the related technologies.

电荷和自旋，作为电子的两个内禀自由度，已得到了广泛的研究和应用；且该两个自由度与热流相互作用而发展起来两门新学科，即热电子学和自旋热电子学，也得到了迅速发展。“谷”，作为电子的一个新自由度，近年来兴起于石墨烯等低维材料；由于其在未来信息处理和存储技术中潜在应用，引起了人们的极大关注。但热激发下谷电流及热谷电子输运，仍是一个全新的研究领域；对其研究，不但促进一门新学科-谷热电子学的建立，而且预示着一项新热电转换技术的到来。本项目将研究量子系统谷电子和热激发之间的相互关系和热谷电转换效率；揭示热激发下纯谷流和谷极化程度不同的热谷流产生机制；研究热谷流和热自旋流之间耦合极其分离机制；研究热谷热一些特殊的输运特性，如热谷流负微分、整流、过滤、赛贝克等效应产生机制；并探索热谷电子在新型热电转换和低能耗技术中的应用。相关研究成果，不但拓展人们对热电子的认识，而且促进相关技术的发展。

在国家自然科学基金项目（11774104）的资助下，项目负责人及项目组成员，紧密围绕着热谷电及热自旋流的激发和转换机制进行了系统的研究，取得了多项科研成果，这些科研成果对于我们认识和理解量子系统热自旋流和热谷电流的激发、转换机制和高效率热自旋的实现，具有重要的学术意义；对设计相关的热自旋流量子器件具有重要指导意义。创新性学术成果有：（1）在磁性硼氮纳米带中，实现了热激发自旋流、自旋Seebeck效应和热自旋流二极管效应，并揭示子在该类纳米结构中，产生高热电转换效应的物理机制；（2）在磁性纳米管结构中，首次发现了可调控的自旋Seebeck效应，并在径向形变的调控下，可实现自旋Seebck效应和自旋过滤效应的相互转换和调控，为设计自旋Seebeck效应提供了新的材料平台；（3）发现能产生纯热自旋流和自旋Seebeck效应的最窄纳米带材料，并发现产生自旋Seebeck效应的纳米线结构材料；（4）我们将对热自旋效应和热谷电效应的研究，推广到二维新型磁性范德瓦尔斯结构，发现受到不同层约束的自旋Seebeck效应；（5）发现产生热自旋流的一新物理机制，即利用材料的自旋-轨道耦合，在该物理机制下，非磁性材料也可激发纯的热自旋流和纯的热谷电流，并发展一新的前沿交叉学科—自旋轨道热电子学；（6）在二维多铁材料中，我们实现自旋Seebeck效应和热谷电效应，将热自旋流和铁电态进行耦合和调控，并利用热自旋流发展了一套低能耗技术以实现对铁电态的读取，在此基础上，我们提出并命名了一新前沿交叉学科—自旋铁电热电子学。另外，在本项目的资助下，我们还开展了对量子系统拓扑声子态的研究，并取得了多项创新性成果。以上研究成果，以多篇学术论文的形式发现，其中在Phys. Rev. 系列期刊发表论文8篇，已经发表SCI收录论文共计18篇，其它多篇论文还在评审和修改中。