外场调控下石墨烯输运机制的理论研究

The study on quantum manipulation and electronic transport of graphene under external field is an important subject of the condensed matter physics, and also a basis for the design of graphene-based electron device. In this project, we will study the transport mechanism and electronic property of Dirac electrons in graphene under modulated electromagnetic field, using theoretical method (such as transfer matrix, nonequilibrium Green function, and Floquet scattering theory) and numerical simulation. In particular, we study the influence of asymmetry of magnetic field on electronic transport, electronic states, and energy spectrum; study the negative differential resistance and its correlation with electronic states in magnetic barriers structure; study the Fano resonance effect or Fabry-Pérot resonance effect in spin-polarized transport; study the properties of electronic states and dynamical localization of graphene under multi-frequency time-periodic potential. As a target, the transport properties in different constructions of magnetic field will be revealed; a new approach to realize spin filtering and 100% spin polarization based on resonance effect will be proposed; dynamical localization character under time-periodic potential will be clarified. These results will provide a physical basis for the design of graphene-based electron device.

外场作用下石墨烯的量子调控和输运性质是凝聚态物理的研究重点，也是设计石墨烯电子器件的基础。本项目利用传输矩阵、非平衡格林函数和Floquet散射理论等理论方法结合数值模拟研究磁场和电场调制下石墨烯的输运机理和电子性质。具体研究：外磁场结构的非对称性对石墨烯电子输运和能谱等物性的调制作用；磁势垒结构中电子的负微分电阻现象及其与电子态的关联；石墨烯电子基于Fano共振效应或Fabry-Pérot共振效应的自旋极化输运性质；多模含时周期势场下石墨烯的电子态演化规律和动态局域化特性。预期将揭示磁场几何结构调制对石墨烯电子输运特性的影响规律；提出一种利用共振效应实现自旋过滤和完全自旋极化的新方法；阐明含时周期势场下石墨烯电子的动态局域化特性。研究结果将为新型石墨烯电子器件的设计提供物理依据。

以石墨烯为代表的二维Dirac体系的电子性质和量子调控是当前凝聚态物理的研究热点，对基础物理的发展和新型电子器件的应用具有重要的意义。本项目系统研究了外场对石墨烯输运机理和电子性质的调制作用，从能带结构、电子输运、自旋极化、自旋积累、能谷极化和电子态等几个方面阐明了外场对石墨烯物性的影响规律。项目完成的主要研究工作有：（1）研究了基于石墨烯的具有高斯波包分布的磁超晶格结构，发现入射能在微带区域时电子可以100%的透射，在带隙区域则100%的反射。而且这种带状过滤效应对薛定谔方程描述的传统电子也是有效的。设计了一种基于调制磁超晶格的带状过滤器。（2）研究了应力和磁场共同作用下时间反演对称性和谷简并性同时被破坏的石墨烯系统。发现不同于K谷，K'谷附近出现更多有限能Dirac点、更显著的瞄准行为和更强的重整化群速度。通过改变应力可以独立调控微带和带隙。提出了一种实现完全谷极化的新方法。（3）通过研究多势垒结构我们发现势阱中的共振态导致电子在垂直入射时呈现全透射，破坏了双层石墨烯电子典型的输运特征-Klein全反射。缘于不同的物理机制，线型共振和Fabry-Perot共振表现出不同的性质和劈裂规律。（4）研究了结构缺陷对硅烯电子的自旋极化和谷极化输运的影响。发现由于K和K'谷附近上和下自旋电子对应不同的超晶格和缺陷，电导对不同的自旋和谷自由度具有很强的依赖性。通过调节缺陷可以显著增强自旋极化和谷极化。（5）研究了半导体量子点与超导电极耦合的多端系统，通过分析铁磁电极、Rashba自旋轨道耦合、自旋翻转散射、库仑相互作用等对自旋极化输运的影响，得到了完全自旋极化的Andreev反射流。研究结果对有助于人们理解认识二维Dirac材料的电子性质，并能为新型电子器件的设计提供理论依据。