低维体系的自旋输运和量子自旋霍尔效应

理论研究低维量子小体系的自旋输运特点和量子自旋霍尔效应。主要集中研究下面几个方面：研究电子-电子相互作用、电－声子相互作用、自旋轨道耦合等对自旋输运的影响；探索由自旋轨道耦合引起的一些新奇量子现象；提出一种新类型的量子自旋霍尔效应；以及研究杂质和外磁场对量子自旋霍尔效应的影响；等。通过这些研究，能全面深入地了解自旋输运和量子自旋霍尔效应的基本规律和普遍性质。该研究不仅具有基础研究的科学价值，也为制造自旋电子器件提供理论依据。

在本基金的资助下，我们按计划对低维体系的自旋输运和量子自旋霍尔效应开展理论研究。三年来，研究进展很顺利，已完美地完成了研究目标。主要研究成果以论文的形式发表。共发表SCI收录论文31篇，其中Phys. Rev. Lett. 2篇，Phys. Rev. B 24篇。到目前，这些论文已有相当多的他人引用。特别是：1）我们预言的量子Andreev反射效应，已初步被他人在实验上所观测到；2）关于DNA分子自旋输运的工作，已被一篇综述文章用一段来报道。. 主要研究成果有：. 1）、在二维拓扑绝缘体（即量子自旋霍尔体系）与超导耦合体系中预言了量子Andreev反射：它的反射系数是1, 并且这为1的平台不受体系尺寸、系统参数、耦合好坏、以及各种杂质等的影响。. 2）、在铁磁石墨烯体系中预言了一种新型的量子自旋霍尔效应；这量子自旋霍尔效应不是由自旋轨道耦合引起的，体系也没有时间反演不变性；但具有CT不变性，其中C为电子-空穴变换和T为时间反演变换。由于这CT不变的量子自旋霍尔效应，体系的纵向和霍尔电阻都展现出量子化平台。. 3）、对应于超导，我们提出了自旋超导态。这是由电荷中性自旋是1粒子（例如电子空穴对）凝聚成的超流态，它是电荷的绝缘体，但是自旋阻是零。我们考虑有电子-电子相互作用的自旋极化石墨烯体系，预言在低温时这体系的基态是自旋超导态。并推导出自旋超导的类BCS哈密顿量和类London方程，也预言了自旋超导有电Meissner效应和自旋流Josephson效应。. 4）、研究DNA分子的自旋输运性质。发现当同时存在退相干、双螺旋、和自旋轨道耦合时，双链DNA具有很强的自旋过滤效应；并且自旋过滤率会随其长度的增长而增大。但是对于单链DNA，没有自旋过滤效应。这些结果与他人实验很好相符。. 5）、发现在量子自旋霍尔体系对费米面和磁场的相图上有5个相：拓扑绝缘相、二个类似量子异常Hall相、绝缘相、和一个金属或量子Hall相。. 以上这些成果和发现，应当具有创新性和相当高的科学价值；不但使得我们能全面深入地了解自旋输运规律和量子自旋霍尔效应的性质，而且也为制造自旋电子器件提供理论基础。