基于石墨烯的“谷”电子学研究

石墨烯是当前凝聚态物理研究的热点之一。石墨烯的能带中存在两个不等价的 "谷"。利用"谷"自由度设计开发电子器件为微纳电子学的研究提供了新思路。本项目旨在研究"谷"电子学的核心问题，即"谷"极化电子态的注入以及"谷"极化电子态的调制和探测。主要研究内容包括 ：（1）基于具有各种边界(zigzag，antizigzag，armchair)的单层或双层石墨烯纳米条带在Dirac点附近独特的"谷"选择定则，研究"谷"极化电子态的产生、控制和探测；（2）研究无序、电子-电子相互作用、自旋轨道耦合、晶格扭曲、磁场、电势场、对称性（镜面反演，时间反演）破缺等效应对"谷"极化电子态产生和"谷"极化电子态输运的影响；（3） 研究自旋极化和"谷"极化的联合调控。本课题的完成将增进人们对石墨烯中"谷"电子输运性质的理解，并将为研制基于石墨烯的"谷"电子器件提供理论基础。

（1）我们研究了石墨烯块材料中铁磁条、应力、自旋轨道耦合以及交换场能作用下“谷”相关输运过程，设计了“谷”过滤以及巨磁阻效应的结构，提供了赝磁场以及Rashba自旋轨道耦合作用无法导致垂直于石墨烯平面的自旋极化产生的理论依据；（2）我们研究了石墨烯纳米条带在有交替势能和不对称边界势能的作用下，“谷”相关边缘态的产生和调节机理，同时研究了磁场作用下双层石墨烯纳米条带中的量子霍尔系统以及存在“kink”态时的双层石墨烯纳米条带的量子输运性质；（3）我们进一步研究了单“谷”（狄拉克点）的二维拓扑绝缘体HgTe量子阱的性质，发现了非均匀磁场作用下一对自旋极化的“snake”态，同时我们给出了一个基于HgTe/CdTe p-n结的全新测量边缘态量子电导平台的实验方案。