基于量子点、石墨烯的纳米电子力学器件输运特性研究

The nanoelectromechanics is concerned the coupled quantum systems of electron transport and mechanical motion of nanostructures. In recent years, great attentions have been paid on the nanoelectromechanical devices based on quantum dots and graphene. The project is focused on the transport properties of typical nanoelectromechanical systems, such as electron shuttles in quantum dot and coupled quantum dots, and the suspended graphene. By studying the transport properties of quantum dot electron shuttles in both Coulomb blockade and Kondo regimes, we will reveal the decoherence effects of both electronic and mechanical sub-systems on the transport properties, and the novel phenomena caused by the correlation and interaction between electrons in nanoelectromechanical devices. Then we can investigate the applications of the novel quantum effects in electron shuttles, such as the dynamical localization and the time-dependent Kondo resonance. By studying the interacting electronic structure and transport behaviors of graphene with time-dependent strain field, we will investigate the novel nanoelectromechanical devices based on graphene. The studies are meaningful to the applications of nanoelectromechanical systems in electronic, spintronic, quantum information devices and controlling the quantum states of nano-mechanical oscillators.

研究纳米体系电子输运与力学运动耦合的问题已形成一个新的研究领域，即纳米电子力学。近年来以量子点、石墨烯等纳米结构为基础的电子力学器件研究逐渐成为这一领域的热点。本项目以量子点电子shuttle及悬挂石墨烯系统的输运性质为主要研究对象，通过对电子shuttle在库仑阻塞区及Kondo区输运特性的研究，揭示电子和力学两个子系统退相干过程在体系输运性质中的反映，分析由电子关联在电子-力学耦合量子系统中引起的新效应，探索纳米电子力学系统中动力学局域化、时间依赖的Kondo共振等新效应的可能应用；通过阐明悬挂石墨烯中相互作用少电子态的量子行为及其在时间依赖的应力场下的输运特性，探索基于石墨烯的新型纳米电子力学器件方案；通过本项目的研究为基于量子点、石墨烯的纳米电子力学器件在电子学、自旋电子学、量子信息及纳米力学振动控制领域的应用提供理论基础。

本项目以量子点shuttle及石墨烯纳米结构等重要纳米电子力学器件为研究对象，旨在阐明量子点电子shuttle在库仑阻塞及近藤区的输运特性，揭示交流外场及电子关联对电子shuttle动力学行为的调控作用；发展针对复杂电磁场下石墨烯电子结构的计算方法，阐明非均匀（赝）磁场在石墨烯中形成量子点等纳米结构的可能及其量子特性，研究库仑杂质对石墨烯纳米结构的影响。.在本项目中，我们细致研究了交流电场驱动下，量子点shuttle器件中相互作用电子的动力学特性，发现了电子shuttle器件中由交流电场引起的动力学局域化效应，即电子shuttle中的载流子状态长时间保持不变的现象；深入分析了力学振动自由度及电子相互作用对动力学局域化现象的影响。研究了电子 shuttle 在近藤区和库仑阻塞区不同的输运特性及相应的输运机制。发现了由力学振动引起的量子点电子输运由近藤区向库仑阻塞区的过渡现象，分析了这种现象的产生原因及近藤峰恢复手段，给出了实验观测这一现象的理论建议。研究了光驱动下耦合量子点体系中电子隧穿与拉比振荡的关联效应，为发展基于关联动力学系统的固态量子信息方案及进一步研究耦合量子点shuttle系统的关联动力学行为打下基础。.发展精确求解复杂电磁场下类狄拉克方程的完整理论方法，用于非均匀电磁场下石墨烯纳米结构、石墨烯自旋-轨道耦合及拓扑绝缘体纳米结构的研究。研究了非均匀磁场下石墨烯中形成量子点、量子环等纳米结构的可能，精确计算了石墨烯磁量子点的能谱结构和波函数特征，给出了非均匀磁场、杂质库仑势同时存在时石墨烯体系电子结构的特征，阐明石墨烯磁量子点的尺寸效应规律。发展合适的理论模型，研究了石墨烯体系中超临界杂质态的量子特性，阐明“原子塌缩”这一相对论量子力学现象在石墨烯体系中的基本特性，为在悬挂石墨烯等纳米电子力学器件中观测石墨烯杂质态、尤其是超临界杂质态的磁调制提供理论依据和理论方法。.这些研究成果的取得，为精确的研究纳米电子力学体系的电子结构提供了必需的理论方法，对全面深入的理解纳米电子力学器件的输运特性及其调控手段具有基础意义，所发现的纳米电子力学体系动力学局域化效应、近藤效应的破坏现象及非均匀磁场下石墨烯中形成量子点的可能为发展基于纳米电子力学系统的新型电子学及量子信息器件提供了理论基础。