发展散射理论研究量子泵浦现象基本物理问题

随着介观输运理论和它在纳米电子学和自旋电子学中应用的发展，低维小尺度系统中的动力学输运过程，从量子涨落到量子泵浦，越来越引起研究者广泛深入的关注。从1999年美国科学杂志报道量子泵浦现象实验上首次实现到2009年并列双量子泵浦的重要实验，量子泵浦已被认为在精细电流标准、单电子源、量子信息、神经网络中有重要应用前景。散射理论作为输运问题的重要研究方法，物理图像清晰，近几年在动力学输运过程研究上有重要发展，包括散射理论在电流涨落中的应用和含时Floguet散射理论。目前，关于量子泵浦仍有许多有待解决的基本物理问题和超越现有理论的实验现象。这些问题包括：非简谐驱动量子泵浦现象，超越绝热极限和线性响应极限的量子泵浦规律，多能量子过程决定的自旋泵浦，等等。这些课题对发展量子动力学基本理论和量子泵浦现象的理论应用研究都有重要意义。本项目拟运用并发展散射理论对这些问题进行探索研究。

本项目的研究内容为：1. 非简谐驱动的量子泵浦研究；2. 大振幅驱动的单层石墨量子泵浦研究；3. 大振幅驱动的磁隧道结自旋泵浦研究。项目组按计划完成了这些研究内容，并有所扩展。. 1. 我们发展了散射理论，研究了一般非简谐驱动泵浦的输运特征。在采用 5 次谐波近似下，低频率非简谐驱动量子泵浦仍可以看做绝热的。我们将驱动信号展开到 5 阶，研究发现，矩形波和锯齿波驱动将产生随驱动相位差分别做矩形和锯齿波形变化的泵浦电流，这一研究结果，提示了量子泵浦在信号源探测上的潜在应用可能。绝热量子泵浦的非简谐效应给出了Berry 曲率表面积分和多光子发射物理图象之间的对应。 . 2. 我们扩展研究了量子泵浦散粒噪声的一般特征及其在石墨烯中的独特效应。我们运用散射理论给出了量子泵浦中散粒噪声的一般表达式，并在偏压输运泊松噪声的基础上，针对基于泊松过程的量子泵浦散粒噪声进行了讨论。在此基础上，研究了石墨烯量子泵浦的散粒噪声，发现在 Klein 机制控制下，散粒噪声在电流改变方向的参数点具有显著的增强，这是电子空穴反向流动的虚过程产生的。. 3. 我们扩展磁隧道结量子泵浦的研究内容到螺旋磁体隧道结量子泵浦的研究。先研究了螺旋磁体中的一般输运性质，考虑一维无限深势阱波导管中嵌入导电螺旋磁体薄层的Fano共振特征，我们的工作给出了无限深势阱波导中嵌入螺旋磁体透射概率和电导的一般表达式，自旋的螺旋变化可以是二维的或三维的，任意螺旋取向，螺旋周期和嵌入位置。这些结果可以为实验上通过Fano 共振探测螺旋磁体的螺旋磁性特征作参考。关于螺旋磁体量子泵浦的研究，我们得到了具有自旋光栅输运特征的泵浦电流，扩展了现有的输运理论到一般的光栅散射过程，给出了计算任意形状光栅散射矩阵的迭代公式，运用此公式研究了金属/螺旋磁体/金属异质结构中的泵浦过程，当光栅波矢很大时，衍射谱消失，电导出现极小值，在光栅波矢等于零和无穷大两个极限，电流特征自然回归到铁磁和普通绝缘层的情形。. 并且，在此项目的资助下，我们还完成了自旋进动驱动铁磁金属-螺旋磁体异质结构中的自旋泵浦研究，嵌有Skyrmion 晶格的波导管中的电导特性研究，Zigzag 型边界石墨烯纳米带的电子态研究和有限尺寸石墨烯的电子态研究。为我们以后的工作打下了基础。