含时量子点系统中自旋热电效应的理论研究

One of main tasks of today's spintronics is how to achieve the spin polarization and spin manipulation. Since the solid devices consisting of quantum dots (also known as "artificial atom" or "artificial molecular") and electrodes have very good controllability and apparent quantum characteristics, they have been the main platform to study the spin polarization and transport properties. By using the nonequilibrium Green's function and the density matrix method, this project will establish transport equations of the spin thermoelectric effects in the time-dependent quantum-dot solid-state devices, and clarify the relation between the spin seebeck coefficient and transmission spectrum; We shall deeply investigate the thermally-driven spin-polarized current, spin voltage and spin accumulation under the influence of ferromagnetic electrode, external magnetic fields, the Coulomb interaction and exchange interaction, and explore the conditions of producing the pure spin current. We will ultimately establish the intrinsic physical mechanism and transport properties of the quantum dot restricted system subjected to temperature fields, and provide theoretical fundamental and basis for designing thermospin quantum devices.

目前自旋电子学的主要任务之一是如何实现对自旋的极化以及操控。 由电极和量子点（也称为"人造原子"或"人造分子"）组成的固态量子器件，由于具有非常好的可控性和明显的量子特性，已成为研究电子自旋极化以及传输特性的主要平台。本项目将借助非平衡态格林函数以及密度矩阵方法，建立含时量子点固态器件中自旋热电效应的输运方程，弄清自旋塞贝克系数与电子隧穿谱之间的关联；深入研究铁磁电极、外加磁场以及量子点中电子之间的库仑作用和交换关联下热驱动引起的自旋极化流、自旋电压和自旋堆积，探索含时纯自旋流的产生条件；最终确立温度场下含时量子点受限系统中自旋发生极化的内在物理机制以及传输特性，为设计热自旋量子器件提供理论支持和依据。

开发高性能的自旋热电器件以及设计多功能无金属自旋器件已成为目前自旋电子学和热自旋电子学领域主要的任务之一。本课题基于紧束缚模型或第一性原理方法对量子点系统或由石墨烯量子点等构成的器件的热电性质或输运性质展开深入的理论研究。在项目执行期间取得了以下主要研究成果：（1）当电极费米面与电子空穴对称点的能量位置相匹配时，该双量子点系统中可产生纯自旋流。同时这个系统也可用作高效率的热机。通过调控量子点的耦合强度，效率最大值可接近最大允许的卡诺效率。 （2）提出了一个含时的单量子点热机装置。含时外场能引起一系列附加的共振通道，带来了更多的光子辅助的工作区域的出现。（3）研究了由石墨烯量子点以及石墨烯纳米带作为电极构成的两端器件的自旋热电效应。由于这个系统的声子的热导非常小，导致了自旋热电品质因子在100K左右可达到30。当电压被加在两端电极，该装置呈现出多功能性（譬如理想的自旋过滤和负的微分电阻行为）。（4）在较长的并苯分子器件中发现了Fano效应。用外加门电压，可使该装置呈现半金属性质和高的自旋热电性能。 以上研究在自旋电子学和热自旋电子学领域具有一定的应用价值。