铁磁电极-量子点耦合系统电流发热机理研究

With the rapid development of nanotechnology, nanoscale spintronic devices have become a global pursuit of new devices. The power densities of the devices increase rapidly due to the size of them reaching to the nanometer. Ferromagnetic electrodes is an important material in the study of spin-polarized transport and spin injection.Therefore,the researches of heat generation in ferromagnetic leads-quantum dot coupled system become a significant scientific problem in condensed matter physics. We study the heat generation in ferromagnetic leads-quantum dot coupled system by nonequilibrium Green's functions. We can obtain the formula of heat generation by this method and then discuss the following questions:(1)the heat generation in the ferromagnetic leads-quantum dot coupled sytem without Coulomb interaction;(2) the effect of the ferromagnetic leads on heat generation in Coulomb blockade regime;(3)how the heat generation affected by the combined effet of Kondo effet and ferromagnetic leads .Through this research, we can not only improve the basic theory of mesoscopic physics, but also provide valuable reference to the devices' research and development.

随着新材料技术和纳米技术的飞速发展，纳米尺度自旋电子器件已成为世界各国所追求的新型器件。由于器件尺寸达到纳米数量级，因此其功率密度也成倍增长。铁磁电极是自旋极化输运和自旋注入研究中的重要材料之一。因此，铁磁电极-量子点耦合系统电流发热机理的研究成为凝聚态物理学中一个科学问题，具有重要意义。本项目将运用非平衡格林函数理论研究铁磁电极-量子点耦合系统的电流发热机理。基于非平衡格林函数方法，我们可以得到包含铁磁电极信息的电流发热公式，从而讨论如下三个问题：（1）铁磁电极-量子点耦合系统在自由区的发热机理；（2）铁磁电极在库仑区对体系电流发热的影响；（3）铁磁-量子点耦合系统在Kondo区的电流发热行为。通过该项目的研究，不仅能完善当前的基础理论，而且在自旋器件的研发方面，也能提供有价值的参考。

本项目运用非平衡格林函数理论系统的研究了量子点耦合体系的电流发热行为以及Majorana费米子耦合体系的散粒噪声行为。基于非平衡格林函数方法，给出了包含铁磁电极、微波外场、Coulomb阻塞、Kondo效应等信息的电流发热公式，并在此基础上进行数值计算。由于自旋阀效应，电流发热敏感的依赖于铁磁电极的极化角，且在一定范围内随着极化角度的增大而减小。此外，铁磁电极耦合体系的热电效应也敏感的依赖于极化角，且ZT因子被Kondo效应抑制。微波外场的频率大于声子的频率时，负微分热效应出现，且该效应和Coulomb阻塞能密切相关。旋转磁场引起的自旋劈裂导致了电流发热对称共振峰的消失，同时电流发热随振荡磁场强度的变化表现出衰减振荡的行为,其原因是贝塞尔函数的衰减振荡行为。在低温下，当微波外场的频率增大时，ZT因子出现很强的共振峰。Wiedemann-Franz定律失效，尤其是在存在多光子吸收和发射的低频区域。此外，该项目中我们还研究了Majorana纳米线中电子的输运行为，从噪声和微分电导的角度观察Majorana束缚态以及纳米线两端Majorana束缚态之间的耦合情况。量子点－Majorana费米子耦合体系的噪声和电流都出现了明显的台阶行为,原因是量子点-Majorana束缚态之间的耦合导致的能级分裂。这些台阶随着量子点-Majorana束缚态之间的耦合增强而变大,但是随着Majorana束缚态之间的耦合的增强而变小。周期性势场可以调控纳米线两端Majorana束缚态之间的耦合，其耦合强度和周期性势场的强度、相位密切相关。这一系列工作能为纳米电子器件的设计和制作提供一些理论基础。