半导体量子点器件中自旋热累积的生成机制与应用研究

To explain the spin Seebeck and spin Peltier effects in magnetic tunnel junctions and spin valves, a new concept of spin heat accumulation, a difference in temperatures between spin-up and spin-down electrons, was put forward in the research subject of spin Caloritronics. This concept arises from the process of energy exchange between electrons of different spin components driven to flow by temperature difference applied across the two terminals of the structure, and provides a new method to generate and control spin-polarized electrons. To further explore the creation law and the potential applications of the spin heat accumulation in devices with quantized energy levels, a system composed of a semiconductor quantum dot coupled to ferromagnetic, normal metal or superconductor leads is proposed in the present project. Then the impacts of various structure’s parameters, such as the tunable dot energy levels, Coulomb repulsion and the electron-phonon coupling strength, on the spin heat accumulation are studied. Appropriate microwave fields combined with the temperature difference will be applied to create and manipulate the spin heat accumulation and the heat current. Based on the properties of different device configurations and the laws of heat flow, we propose theoretical models for local refrigerator and thermal rectifier. Our work may have interests in exploring the laws of energy exchange between spin-up and spin-down electrons, enhancing the work efficiency of spintronics devices, as well as developing new kinds of energy saving devices.

近几年来，为了解释磁隧道结和自旋阀器件中的自旋塞贝克和自旋帕尔贴效应，人们在热自旋电子学中提出了自旋热累积的概念，即施加在器件两端的温度差会使得不同自旋方向的电子由于交换能量而各自处于不同的温度，并已经在近期的实验中被观测到，为产生和操控自旋极化的电子提供了新的手段。为了深入探索这个效应在具有量子化能级系统中产生的规律及潜在应用，本项目研究半导体量子点与铁磁体、普通金属或超导电极相耦合的系统，借助量子点中可变的能级、库伦作用和电子-声子耦合强度等参数来调控自旋热累积效应；在这种体系中施加适当的微波场来产生和操作自旋热累积及热流；针对不同的器件结构和热流的运动规律，理论设计能够对量子点进行局域制冷和整个体系用作热整流器的装置。我们的工作对探索不同自旋方向电子之间交换能量的规律、提高操控自旋电子学器件的工作效率、开发新型节能器件均有重要的意义。

自旋极化流会生热，这种热流主要源于铁磁体中不同自旋方向电子的能量之差，与基于电子电荷自由度的电子器件中电流生热的机制有很大不同。自旋热累积，即不同自旋方向电子具有不同温度情况下量子点结构中自旋极化流生热的性质。经过近四年的工作，项目组研究了半导体量子点与铁磁体、普通金属或超导电极相耦合的系统，借助量子点可调的能级、库仑相互作用强度与正负、与电极耦合强度以及不同自旋方向的电子各自处于不同费米能级等参数来调控自旋热累积效应，理论预测自旋极化流生热性质的影响，探讨抑制和利用自旋极化流的生热、提高自旋电子学器件的工作效率及稳定性部分规律。在这种具有量子化的器件中，热流产生于传导电子和与量子点耦合的声子库之间的能量交换。由于自旋热累积的存在，自旋朝上和自旋朝下的热生产符号相反，并且当量子点能级与电极的化学势相同时出现最大值，同时电荷流为零。在磁场的作用下，自旋朝上和朝下的热生产的最大值所对应的能级向不同的量子点能级区域移动。通过调整量子点能级和系统温度，负的热生产强度可以在小的电流情况下得到增强，从而得到理想的纳米制冷条件。研究结果还发现当量子点内电子之间的库仑相互作用为零时，由于声子要从外界吸收足够大的能量才可以发生跃迁而吸收和放出能量，因此热流相对于电流有一个延迟。在低温情况下，只有当偏压达到声子能量单元时热流才开始增大。当外加偏压大于声子的能量单元之后，热流强度随偏压的增大而单调增加并最终达到一个极大值，其强度不再变化。当库仑相互作用为正值时，热流相对于电流的滞后值与无库仑相互作用时相同，并且其强度会在一定的偏压范围内随着偏压的增大而变小，即所谓的负微分热导现象。但是当量子点内的库仑相互作用为负值时，由于声子的发射和吸收过程是从电子占据数小的高能级向电子占据数大的低能级跃迁，发生的概率相应变小，因此热流的强度明显变小。此时热流相对于电流滞后的偏压值变为原来的二倍，并且负微分热导现象消失。我们的工作对探索不同自旋方向电子之间交换能量的规律、提高操控自旋电子学器件的工作效率、开发新型节能器件均有重要的意义。